MJF vs. SLS: Comparación de impresoras 3D de fusión de lecho de polvo de plástico

A pesar de no ser un invento reciente, la tecnología de impresión 3D de fusión de lecho de polvo es una de las subdivisiones del sector de la impresión 3D que más rápido está creciendo. En la impresión 3D de polvo con base de plástico, los dos métodos más populares son el sinterizado selectivo por láser (SLS) y la tecnología de fusión multijet (MJF).

Mediante las innovaciones en hardware, software y materiales, los fabricantes de impresoras 3D están ampliando el alcance de las aplicaciones posibles para las impresoras 3D SLS y MJF, como la producción de bajo volumen de piezas de uso final, el prototipado funcional, los accesorios para la fabricación y las piezas de recambio. Estas dos formas de tecnología de fusión de lecho de polvo tienen sus propias ventajas y desventajas, y factores como su coste, la superficie que ocupan, su aplicación prevista y su capacidad de volumen se deberían considerar a la hora de elegir entre tecnologías.

En esta guía, hablaremos de cómo funciona cada tecnología, los beneficios y los inconvenientes que tienen y las diferentes aplicaciones para las que se pueden utilizar de forma óptima.

Las impresoras de fusión de lecho de polvo suelen ser más grandes que sus equivalentes más extendidos de las tecnologías de modelado por deposición fundida (FDM) o estereolitografía (SLA), por lo que tienen más capacidad de producir un gran número de piezas en cada impresión. La cámara de impresión y el carácter autosostenible del lecho de polvo permite que las piezas se apilen verticalmente o incluso se dispongan de forma compactada y eficiente cerca la una de la otra. Esta característica da a los usuarios de las impresoras 3D SLS o MJF la capacidad de maximizar la utilidad del espacio y llenar la cámara de impresión todo lo posible. La ausencia de estructuras de soporte también implica que posacabar piezas es más sencillo y requiere menos trabajo manual, con lo que las piezas se producen de forma fiable y repetible a una escala mayor.

Por ejemplo, las impresoras 3D SLS de la serie Fuse de Formlabs automatizan esta tarea mediante un algoritmo de compactación optimizado, que orienta las piezas de manera que hasta el último centímetro posible queda lleno. Llenar totalmente la cámara de impresión también alinea la densidad de compactación con el índice de renovación, para que todo el polvo sin sinterizar se pueda reutilizar y obtener un proceso de trabajo de impresión sin desperdicio. 

En resumen, la impresión 3D de fusión de lecho de polvo con una cámara de impresión completamente llena y compactada reduce el coste por pieza de las siguientes formas:

• Se producen más piezas en menos impresiones, lo que aumente la eficiencia general y reduce el tiempo de trabajo manual.
• Se optimiza la cantidad de polvo sin sinterizar para minimizar o incluso eliminar por completo el desperdicio.

El principal grupo de materiales que se utiliza en la impresión SLS y MJF es el nylon, un termoplástico para ingeniería de gran capacidad tanto para el prototipado funcional como para la producción de uso final, que se utiliza para un amplio abanico de productos industriales y de consumo. El nylon es resistente a la radiación UV, a la luz, el calor, la humedad, los disolventes, la temperatura y el agua. Las piezas de nylon impresas en 3D también pueden ser biocompatibles y no sensibilizantes, por lo que pueden usarse para estar en contacto con la piel y son seguras de usar en muchos contextos.

Aunque muchos negocios que externalizan sus piezas a un fabricante por contrato o empresa de servicios pueden no entender las diferencias entre las tecnologías SLS y MJF, sí que están familiarizados con el material, lo que significa que adoptar tecnologías de impresión 3D con polvo es más sencillo que con la mayoría del resto de procesos.

La impresión 3D SLS fue la primera tecnología de impresión 3D de lecho de polvo, y lleva décadas siendo una opción extendida entre los ingenieros y los fabricantes. El SLS fue inventado en 1982 por un grupo de investigadores de la Universidad de Texas en Austin. Se trata de una tecnología en la que un láser de alta potencia sinteriza una capa delgada de polvo de impresión desde arriba para formar una sección transversal sólida de la geometría deseada. Después de cada capa, la impresora esparce otra capa delgada de polvo por la parte superior de la cámara de impresión, al tiempo que la plataforma de impresión desciende y se construye la siguiente capa. Este método de fusión de lecho de polvo por láser es atractivo para fabricantes, ingenieros y diseñadores de productos por su bajo coste por pieza, su gran capacidad de volumen y la familiaridad de sus materiales.

Las impresoras SLS industriales han estado disponibles durante décadas y se han utilizado como un elemento más de maquinaria pesada o equipamiento de fabricación: excelentes para el trabajo para el que se han diseñado, pero estando al alcance únicamente de grandes instituciones con espacio, financiación y operarios dedicados expresamente a estas impresoras.  

Los fabricantes como EOS o 3D Systems diseñan estos sistemas pensando en clientes muy específicos. Sus clientes están gastando cientos de miles, si es que no gastan millones, en maquinaria, reparaciones y mantenimiento cada año, y cuentan con los almacenes y la infraestructura necesarios para llevarlo a cabo. Sus clientes no son startups, pequeñas empresas ni particulares, simplemente porque el precio de las soluciones de impresión 3D con polvo ha estado fuera de su alcance. 

En los últimos años, ha habido esfuerzos para crear soluciones de impresión 3D más pequeñas y menos caras, que es algo que no es posible con la tecnología MJF, que solo ofrece soluciones de gran formato. 

La Fuse 1 de Formlabs fue la primera impresora 3D SLS con un tamaño adaptado a la sobremesa y capaz de producir piezas de calidad industrial con un resultado comparable a las producidas por opciones caras como los sistemas SLS tradicionales. Con una superficie menor que la mitad de los que ocupa una máquina básica de EOS, un proceso de trabajo optimizado y un precio asequible, la Fuse 1 (18 999 $) y la nueva Fuse 1+ 30W han permitido a cientos de fabricantes de pequeña a mediana envergadura incorporar en sus empresas el SLS, mientras que los grandes fabricantes pueden usarlas para expandir su repertorio de máquinas y descentralizar aspectos de su producción.

La impresión 3D por fusión multijet es un proceso de fabricación aditiva que produce piezas similares a las del SLS, utilizando un proceso ligeramente distinto. Para dar forma a las piezas, la impresora dispensa un agente aglutinante desde muchas boquillas pequeñas sobre el lecho de polvo, dejando los polvos en un estado semisólido antes de terminar el proceso con calor. A continuación, la fuente infrarroja de calor cura la sección transversal semisólida antes de que se deposite otra capa de polvo y se repita el proceso. El proceso fue inventado en 2016 por Hewlett-Packard (HP) y sigue patentado bajo dicha marca.

A menudo, las impresoras de fusión multijet se consideran intercambiables con las impresoras 3D SLS, especialmente cuando las empresas están externalizando las piezas impresas en 3D a empresas de servicios. Estas empresas de servicios ofrecerán muchos tipos de tecnologías de impresión 3D, pero con frecuencia no distinguen entre los dos tipos de piezas impresas mediante fusión de lecho de polvo, ya que las propiedades de las piezas finales son bastante similares.

Al igual que las impresoras 3D SLS, las piezas de MJF no necesitan soportes y por consiguiente, ofrecen una mayor libertad de diseño y no tienen los pasos de posacabado complicados que son necesarios con otros procesos de impresión 3D. La combinación del agente aglutinante líquido y calor crea piezas con propiedades mecánicas casi idénticas a las que genera el sinterizado por láser, hasta en cómo las piezas son isotrópicas en su mayoría.

HP sigue manteniendo una patente para la tecnología de impresión 3D MJF, por lo que las únicas impresoras MJF en el mercado pertenecen a la línea Multi Jet Fusion de HP. HP también controla el software patentado necesario para utilizar las impresoras. Con precios que van de 340 000 $ a más de 500 000 $, las impresoras 3D de HP ofrecen piezas muy precisas, pero requieren una mayor inversión en cuestión de costes, tiempo, mantenimiento continuo e infraestructura, de forma parecida a lo que ocurre con las soluciones de impresión 3D SLS tradicionales. Quien más utiliza las impresoras 3D MJF de HP son empresas de servicios, grandes laboratorios de fabricación aditiva que trabajan para compañías de la lista Fortune 500. Debido a las capacidades de imprimir en varios colores de estas impresoras, a menudo forman parte de las iniciativas de fabricación avanzada de los centros sanitarios. HP solía ofrecer una impresora 3D MJF de formato más pequeño pensada para diseñadores y equipos de desarrollo de productos, pero quedó descatalogada recientemente.

El proceso de trabajo para las impresoras SLS y MJF es muy similar. El polvo se debe mantener en un entorno controlado, posacabarse utilizando máquinas y herramientas secundarias y, en el caso de la mayoría de las impresoras, se puede reciclar para realizar nuevas impresiones. 

Las impresoras SLS tradicionales y las impresoras 3D MJF de HP requieren una formación intensiva de varios días para su preparación y configuración inicial, de forma que un técnico de la empresa pueda educar al usuario respecto al proceso de trabajo y los pasos de mantenimiento necesarios. Tanto las impresoras SLS industriales tradicionales como las impresoras MJF requieren pasos de mantenimiento continuo entre las impresiones, por lo que todos los operarios deben estar formados para utilizar la máquina en cuestión. Para la mayoría de las grandes empresas, que tienen sus impresoras 3D en un entorno de fabricación en el que hay otras máquinas avanzadas, esto no supone un coste adicional. Para los entornos sanitarios, las pequeñas empresas y los centros educativos, estos operarios con formación que deben estar disponibles para la impresora sí supone un coste. 

En cambio, las impresoras SLS de la serie Fuse son de "enchufar y usar" y requieren una preparación sencilla de entre una y dos horas antes de iniciar la primera impresión o una formación virtual, si se prefiere. Las pequeñas y medianas empresas pueden incorporar las impresoras de la serie Fuse sin un técnico u operario dedicado a tiempo completo, debido al carácter ágil del posacabado, la intuitiva configuración previa a la impresión en PreForm, la falta de tareas de mantenimiento diarias y la escasa superficie que ocupa. Un diseñador de productos puede iniciar una impresión y posacabarla cada día sin abandonar su proceso de trabajo normal.

Aunque las impresoras de HP tienen índices de renovación mejores en teoría, ya que requieren en torno a un 20 % de polvo nuevo, en comparación con el 30 % de la mayoría de las impresoras SLS, su densidad de compactación posible es muy inferior, de alrededor de un 10 %. La baja densidad de compactación conlleva que haya un mayor volumen de polvo sin usar que debe reciclarse. Incluso con un índice de renovación muy bueno, como un 20 %, sigue habiendo más polvo sobrante que no se puede usar que con una impresora SLS capaz de alcanzar densidades de compactación elevadas. 

Las impresoras SLS pueden tener procesos de trabajo sin desperdicio, en los que todo el polvo adquirido se utiliza durante una impresión con densidades de compactación óptimas, creando el entorno de impresión óptimo. Con las impresoras de la serie HP Jet Fusion, los usuarios tienen que descartar casi tanto polvo como el que utilizan para crear piezas.

Las impresoras SLS y MJF se venden como máquinas de producción, con una capacidad de alta velocidad y grandes volúmenes de impresión que pueden producir cientos de piezas con cada serie de producción. Tanto las impresoras MJF de HP como los sistemas SLS tradicionales tienen volúmenes de impresión grande, pero las impresoras HP Multi Jet Fusion pueden imprimir más rápido que las impresoras SLS. La dispensación del agente aglutinante y la exposición al calor infrarrojo requiere menos tiempo por capa que la velocidad de impresión de los láseres que se utilizan en las impresoras 3D SLS. 

Sin embargo, las elevadas temperaturas que se alcanzan durante la impresión SLS y MJF requieren un proceso de enfriamiento más largo para las impresoras, de hasta 48 horas. HP ofrece una función de refrigeración para las cámaras de impresión que acelera el tiempo de enfriamiento, pero también conlleva que la máquina ocupe una superficie mayor y sea más cara. En general, esto significa que las impresoras MJF son capaces de ofrecer un rendimiento mayor que las impresoras SLS de gran tamaño. Las impresoras SLS más compactas, como la Fuse 1+ 30W, tienen un volumen de impresión más pequeño, por lo que el tiempo de enfriamiento se reduce a solo 14 horas para una impresión completamente llena y los usuarios pueden completar piezas acabadas más rápido que los clientes con máquinas de MJF y grandes máquinas de SLS.

La escalabilidad también es un aspecto importante, porque una empresa puede comprar ocho soluciones de impresión completas Fuse 1+ 30W por el mismo precio que una única HP Jet Fusion 4200 y con un rendimiento comparable. La velocidad de impresión mejorada de la Fuse 1+ 30W también permite duplicar la producción del modelo de la generación anterior. La mayoría de los fabricantes no tienen productos hechos de un único material, por lo que la capacidad de imprimir con múltiples materiales se debería tener en cuenta también cuando se considera el rendimiento.

Las impresoras SLS y MJF tradicionales requieren un conjunto de tres productos: la cámara de impresión, que se inserta en la impresora, y la estación de posacabado. Juntas, estas tres partes ocupan una superficie considerable y requieren múltiples fuentes de alimentación. Las impresoras SLS compactas, como la serie Fuse, hacen posible un proceso de trabajo optimizado incluyendo la Fuse Sift, una estación todo en uno de recuperación, limpieza y reciclaje del polvo de impresión. Las impresoras de la serie Fuse no requieren cableado especializado y pueden funcionar con una toma de corriente alterna típica. 

Las impresoras MJF ofrecen una gran ventaja en un aspecto: imprimir en 3D en color sin un paso de procesado posterior a la impresión. El agente aglutinante dispensado por los chorros puede incluir un color o varios colores. Mientras que los usuarios de SLS tienen que pintar, teñir o recubrir sus piezas para obtener un acabado en color, los usuarios de MJF pueden introducir su esquema de colores directamente en el software. En el sector de la sanidad, las piezas a todo color son muy atractivas, ya que los profesionales de la medicina valoran la capacidad de obtener un modelo anatómico multicolor sin que haga falta trabajo manual adicional. 

Sin embargo, producir piezas a todo color solo es posible en los sistemas más caros. La mayoría de las impresoras HP producen piezas de color gris claro y requieren los mismos pasos de pintado y tinte que las piezas de SLS. La impresión a todo color también ofrece opciones de acabado limitadas. Por eso, los clientes con impresoras 3D de polvo deciden con mucha frecuencia acabar las piezas y pintarlas de acuerdo con los requisitos de las piezas finales.

Cuando se solicitan piezas a una empresa de servicios, el producto final de una impresora SLS y el de una impresora MJF pueden ser prácticamente idénticos. Si se quiere una única pieza o si una nueva empresa está realizando su primer producto, las empresas de servicios son una opción excelente y las diferencias entre las impresoras SLS y MJF no son importantes. Sin embargo, una vez que se llega a un cierto volumen, incorporar una impresora 3D de fusión de lecho de polvo in situ es más rentable. 

Antes de comparar las especificaciones técnicas (los materiales, los requisitos de infraestructura) cada usuario tiene que pensar antes en el coste de la inversión inicial. Las impresoras SLS y MJF utilizan tecnologías ligeramente diferentes, tiene tamaños distintos y sus catálogos de materiales son diferentes también, pero lo que más cambia y con diferencia es su precio de compra. 

La mayoría de las pequeñas y medianas empresas no pueden permitirse la inversión inicial de 340 000 $ que requiere la impresión MJF, por no hablar del coste continuo de su funcionamiento y los contratos de servicio, lo que limita el mercado objetivo de estas máquinas a los grandes fabricantes y a las empresas de servicios con necesidades predecibles de impresión 3D de alto volumen.

Hay más opciones para el SLS que para la MJF, y al ser tan similar la calidad de impresión entre los sistemas industriales, más empresas encontrarán más opciones de SLS que se ajusten a sus presupuestos. Factores como la impresión en color, la disponibilidad del material, el proceso de trabajo y la superficie empiezan a tener un papel más importante cuando el presupuesto ha quedado establecido. Una impresora SLS más compacta, como la Fuse 1+ 30W, es apropiada para un presupuesto más modesto. Si se compara con los costes de la externalización, a la mayoría de las empresas les hace falta solo un par de meses para amortizar el precio de compra inicial. 

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