Resumen principales tecnologías de impresión 3D contra COVID-19 (FDM, SLA, SLS, MJF)

blog-image

Requerimientos para uso sanitario de piezas impresas en 3D

Antes de empezar el análisis de las distintas tecnologías 3D hay que hacer mención a los requisitos básicos que han de cumplir las piezas impresas en 3D para su uso durante la crisis sanitaria del COVID-19. Dependiendo de la aplicación, una pieza puede tener que cumplir varios de los siguientes:

  1. Desinfectables: aguantar químicos (detergentes, alcohol, lejía, etc).

  2. Lavable / Secable: aguantar procesos de lavado / secado hasta 60ºC.

  3. Esterilización a baja temperatura: plasma de peróxido de hidrógeno a 50ºC.

  4. Esterilización a alta temperatura: autoclave con vapor a 120-132ºC a presiones máxima alrededor de 2 atm (~0.2 MPa)

  5. Estanqueidad: evitar paso de agua / aire / microbios.

  6. No irritar la piel al contacto prolongado.

Resumen requerimientos vs tecnología impresión 3D

Tabla resumen requerimientos vs tecnología y materiales impresión 3D

Importante: La información mostrada en la tabla es orientativa. Pueden existir excepciones. Por ello siempre se debe consultar la información técnica y de seguridad de cada tecnología y material.

Fused Deposition Modelling (FDM)

Diagrama tecnología impresión 3D FDM

Significa “modelado por deposición de material fundido”. Es una técnica de impresión 3D que consiste en depositar capas planas de material fundido superpuestas entre sí para conseguir un objeto con volumen. Es el tipo de tecnología más asequible a nivel doméstico.

El material base de esta tecnología son los termoplásticos mencionados en la anterior tabla, siendo el PLA y PETG sus más abundantes, puesto que el primero presenta bajos costes y fácil impresión mientras que el segundo presenta buenas propiedades mecánicas pero a una mayor temperatura de impresión.

Aquellas impresoras en FDM con componentes más industriales (cámaras de impresión, extrusores más duros…) permiten imprimir materiales técnicos como serian Nylon, Fibra de Carbono, PLA con tungsteno o grafeno.

El gran inconveniente que tienen estos filamentos es que son susceptibles a debilitarse con la humedad (hidrólisis), que pueden provocar fragilidad y problemas durante el proceso de impresión.

El post-procesado de esta tecnología es opcional: lijado, pintado, torneado…

Información de algunos materiales de Fillamentum

Stereolithography (SLA)

Diagrama tecnología impresión 3D SLA

Significa “estereolitografía”, utiliza el principio de fotopolimerización para crear modelos 3D a partir de resinas sensible a los rayos UV. Esta se solidifica mediante el paso de un láser capa por capa, dotando con esto de mayor calidad a los modelos hechos. Para hacer voladizos, será necesaria la impresión de estructuras de soporte (automáticas en muchos softwares).

Tomando como referencia la compañía Formlabs, existen una gran variedad de resinas fotosensibles: Estándares, Ingenieriles, para Joyería, Dentales (Médicas) y de especialidad.

Dentro de las resinas habituales encontramos las resinas “Standard”, como son las resinas “Greyscale” o “Clear” pensadas para modelos y prototipos e incluso aplicaciones como lentes ópticas (el caso del clear), pero para un ahorro en impresión se puede emplear la resina “Draft” que permite grosores de capa mayores.

Dentro del campo médico/dental encontramos las resinas biocompatibles Dental LT Clear de clase IIa y larga duración con resistencia a la fractura y al desgaste y la resina Surgical Guide, de clase I que se puede mantener en cavidad bucal por 24h.

El post-procesado de esta tecnología es obligatorio: limpieza con alcohol IPA y curado con luz UV.

Información de las resinas de Formlabs

Selective Laser Sintering (SLS)

Diagrama tecnología impresión 3D SLS

Significa “sinterización por láser selectiva”, consiste en fusionar polvo con un láser sección a sección de un objeto hasta conseguir todo el volumen. Después de cada sinterizado de capa, una nueva capa de polvo es pasada por encima para dar paso a la sinterización de una nueva sección. Para hacer voladizos no será necesaria la impresión de estructuras de soporte ya que en cada capa estará llena de polvo que servirá de soporte.

El nylon proporciona robustez a las piezas impresas por lo que se aplica normalmente para prototipado funcional, carcasas… a la par que aporta resistencia química y cierto grado de flexibilidad.

Los materiales más utilizados son polvos de poliamida, también conocidos como Nylon (PA12 y PA11). El PA12 es polvo sintético, normalmente derivado del petróleo. Y el PA11 es un polvo de poliamida bioplástico, obtenido de materias primas renovables derivadas de aceite vegetal. Aunque la tecnología sigue avanzando e incluye más materiales como cristales o metales.

El post-procesado de esta tecnología es obligatorio: chorro de aire para quitar restos de polvo.

Información de PA11 y PA12 de Sinterit

Multi Jet Fusion (MJF)

Diagrama tecnología impresión 3D MJF

Se trata de una tecnología de la empresa Hewlett-Packard (HP) que basa su fabricación en un proceso de 3 etapas para cada capa: la primera consiste en depositar una capa de polvo del material, para encima de ella depositar agentes de fusión de partículas, en ésta segunda capa es la que caracterizará al objeto de su rugosidad y detalle. Y finalmente en una tercera etapa aplicar energía para fusionar el material. Para hacer voladizos no será necesaria la impresión de estructuras de soporte ya que en cada capa estará llena de polvo que servirá de soporte.

Para esta tecnología los materiales son similares a los de SLS: El nylon o poliamida PA11, de impacto ambiental reducido destinado para piezas finales y prototipos funcionales y PA12, para ensamblajes complejos, carcasas, armazones y aplicaciones herméticas; ambos cumpliendo las directrices de USP Clase I-VI y de la FDA para dispositivos de superficie cutánea intacta.

Existen otros materiales, por ejemplo PA12G con perlas de vidrio (al 40%) para aplicaciones que requieren alta rigidez y detalle, pero sin contar con las mismas directrices sanitarias que el PA12.

El post-procesado de esta tecnología es obligatorio: aire a chorro para quitar restos de polvo.

Guia de materiales de HP

Ejemplos de impresión 3D por la crisis sanitaria por COVID-19

Adaptación máscara de esnórquel (SLA)

En este proyecto “Conversión de máscara de snorkel Decathlon EasyBreath® en EPI de emergencia” se ha optado por el uso de SLA puesto que se requiere estanqueidad (agua) y soportar desinfección con detergente enzimático, lavado y secado en máquina a temperatura (60ºC) y esterilizable con plasma de peróxido de hidrógeno (50ºC).

Otro ejemplo, en fase de desarrollo/prototipo, sería el proyecto de “Conversión de máscara de snorkel Decathlon EasyBreath® para pacientes con ventilación con presión positiva no invasiva (VPPNI) de emergencia”, como una mejora para SLA del proyecto original de Italia.

Respirador de emergencia/campaña (MJF y FDM)

Las piezas impresas en 3D cumplen tienen requisitos diferentes: propiedades mecánicas y gran volumen de impresión. No entran en contacto directo con el paciente, por lo que las piezas impresas no tienen que cumplir los requerimientos sanitarios descritos en este post. Aunque es un excelente ejemplo del uso de la impresión 3D en durante esta crisis sanitaria.

Noticia

Viseras de protección facial (FDM)

Se han fabricado miles y entregado a muchos hospitales viseras de protección facial diseñadas por los miembros de “Coronavirus Makers”, una comunidad de makers que han empleado la impresión 3D de FDM con PLA para desarrollar el proyecto. La elección de la técnicas es debido a la abundancia de estas a nivel doméstico y de pequeños talleres y el bajo coste de su material; además de ser compatible con las técnicas de desinfección necesarias en hospitales .

Más información

Recambios y conexiones de vía aérea (SLS, FDM, MJF y SLA)

El Instituto de Investigación e Innovación del Hospital Parc Taulí tiene un amplio catálogo de piezas publicadas que se pueden imprimir en SLS, FDM, MJF y SLA. El Colegio Oficial de Médicos de Barcelona (COMB) está coordinado con el laboratorio 3D del Parc Taulí para gestionar los pedidos y la distribución de material de manera más adecuada en todos los hospitales de Cataluña. El Colegio Oficial de Ingenieros Industriales de Catalunya (EIC) hace la coordinación oficial del canal de producción adecuada a la demanda.

Más información

Enlaces / Referencias

FDM

https://trimaker.com/guia-impresion-3d-2-que-es-fdm-2/

https://www.3dnatives.com/es/modelado-por-deposicion-fundida29072015/

https://all3dp.com/1/types-of-3d-printers-3d-printing-technology/

SLA

https://formlabs.com/blog/fdm-vs-sla-compare-types-of-3d-printers/#FDM%20vs.%20SLA%3A%20Side%20by%20Side%20Comparison

https://formlabs.com/blog/ultimate-guide-to-stereolithography-sla-3d-printing/

https://all3dp.com/2/stereolithography-3d-printing-simply-explained/

https://www.3dnatives.com/es/impresion-3d-por-estereolitografia-les-explicamos-todo/

SLS

https://formlabs.com/blog/fdm-vs-sla-vs-sls-how-to-choose-the-right-3d-printing-technology/#Selective%20Laser%20Sintering%20(SLS)

https://www.renishaw.es/es/que-es-la-fabricacion-aditiva-metalica–15240

https://revistabyte.es/actualidad-byte/impresion/impresion-3d/hp-seat-leitat/

MJF

https://www8.hp.com/h20195/v2/getpdf.aspx/4AA7-1533ENA.pdf

https://3faktur.com/en/fluid-tightness-of-hp-multi-jet-fusion-pa-12-components/