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¿Las estructuras de soporte harán o romperán estos corazones impresos en 3D?

Este Día de San Valentín, nos centramos en los corazones, la medicina y el papel de la fabricación aditiva

La impresión en 3D ha sido de interés en el sector médico desde los inicios de la tecnología y hoy se utiliza para un sinfín de aplicaciones, desde guías quirúrgicas y modelos anatómicos hasta implantes y herramientas. Recientemente, la tecnología ha cobrado especial importancia, ya que proporciona apoyo a los médicos locales en momentos de gran necesidad. El sinterizado selectivo por láser (SLS), en concreto, ha sido una herramienta importante en el mundo de la AM médica, ya que ha servido de apoyo a cirugías y procedimientos complejos en forma de herramientas y ayudas visuales.

Aunque la impresión 3D con SLS tiene muchas ventajas, como la elección de materiales y la precisión de la impresión, uno de los mayores beneficios que ofrece es la impresión sin soporte. Con otros métodos de impresión 3D, como FDM y SLA, se generan estructuras adicionales para soportar la geometría de la pieza mientras se imprime. Estas estructuras de soporte deben eliminarse mediante procesos mecánicos o químicos, lo que añade un tiempo considerable a la producción total y puede influir en la calidad de la pieza.

En cambio, en el SLS es el polvo el que soporta cada capa de construcción, lo que permite producir modelos complejos con varias geometrías y pequeños detalles. Esta capacidad es especialmente útil en la industria médica, donde se necesitan modelos anatómicos muy complejos basados en la tomografía y otros métodos de imagen especializados.

¿Hay alguna tecnología adecuada para imprimir modelos médicos?

Una de las ventajas más conocidas de la impresión 3D es su capacidad para imprimir geometrías increíblemente complejas, limitadas no por las circunstancias técnicas sino por la imaginación. Sin embargo, las tecnologías de impresión difieren mucho entre sí debido a los distintos materiales, sistemas, métodos de diseño y enfoques de particionado laminar. Teniendo en cuenta esto, cada aplicación y modelo 3D debe considerarse individualmente, analizado en términos de requisitos de superficie, tolerancia dimensional y propiedades mecánicas.

Un factor vital a la hora de decidir qué tecnología utilizar para un modelo 3D es si requiere estructuras de soporte y si el proceso de eliminación dificultará las propiedades estéticas o la función de la pieza. Muchos modelos médicos se caracterizan por sus complejas estructuras anatómicas y características internas. En estos casos, la elección de la tecnología de impresión 3D puede hacer o deshacer la aplicación. Comparando modelos anatómicos de corazón impresos en 3D con distintas tecnologías, demostraremos el impacto que pueden tener los soportes en la calidad y la utilidad del modelo final.

De izquierda a derecha: modelos de corazón hechos de resina (SLA), ABS (FDM), PLA (FDM) y PA12 (SLS) Corazón impreso en 3D con SLS


Influencia de las estructuras de soporte en la geometría de la pieza en SLA, FDM y SLS

En la imagen de arriba hay cuatro modelos de corazón impresos en 3D hechos con resina (SLA), ABS (FDM), PLA (FDM) y PA12 (SLS). En el caso de los modelos FDM, las estructuras de soporte -generadas automáticamente en un programa de particionado laminar- son bastante densas y, debido a la geometría del modelo, numerosas. Incluso las estructuras de soporte solubles, aunque son más fáciles de eliminar, interfieren con la superficie de la pieza, dejando rastros. Además, algunos detalles de la cara no se imprimieron correctamente debido a sus pequeñas dimensiones y las capas impresas son claramente visibles, oscureciendo detalles del modelo que podrían haber sido importantes por razones médicas. Por último, el uso del posprocesamiento para suavizar las capas impresas puede dar lugar a la pérdida de detalles y de definición de la pieza.

Si se observa el modelo de corazón impreso en 3D mediante SLA, tanto la superficie como el mapeo de los elementos son mucho más nítidos. Sin embargo, algunas de las estructuras de soporte eran demasiado grandes para ser retiradas sin dañar el modelo, especialmente alrededor de los elementos pequeños que sobresalen. La retirada de los soportes de SLA del modelo del corazón dio lugar a marcas y trazos en zonas a las que era difícil llegar sin arriesgarse a dañarlas.

En cambio, el modelo impreso en 3D con SLS se imprimió como una sola pieza sin necesidad de estructuras de soporte. Esto se debe al lecho de polvo, que soporta la geometría del modelo mientras se sinteriza. El polvo de soporte se retira posteriormente de la pieza en el chorro de arena. En general, el proceso SLS creó un modelo con un nivel de detalle superior al de los modelos FDM y de resina.


Postrprocesamiento

Además de influir potencialmente en la calidad del modelo impreso, la eliminación de las estructuras de soporte lleva tiempo. En el caso de los modelos de corazón de ABS y PLA, algunos soportes se eliminaron fácilmente mientras que otros fueron más difíciles, incluso a pesar de un gran esfuerzo y el uso de herramientas especializadas. En cambio, el postprocesamiento del modelo de SLA fue bastante sencillo: hubo que cortar las estructuras del estrecho espacio entre la superficie del modelo y la base. Aun así, eliminar los soportes sin dañar el complejo modelo requería mucho tiempo, y al final quedaban rastros de los soportes. Esto no fue un problema con el modelo SLS: el polvo sobrante del modelo simplemente se retiró y se recogió. A partir de ahí, podía refrescarse (es decir, mezclarse con polvo nuevo) y reutilizarse, lo que facilitaba el posprocesamiento y minimizaba los residuos.


Calidad en la superficie

En cuanto a la calidad de la superficie de los modelos finales de corazón, nos centraremos en los modelos de SLS y SLA. (Excluiremos los modelos FDM en esta sección: aunque la tecnología puede crear modelos con una excelente calidad de superficie, no se consiguió con una pieza tan compleja). A diferencia del FDM, las tecnologías SLS y SLA tienen naturalmente una baja visibilidad de las capas. Sin embargo, si observamos detenidamente los modelos de corazón, vemos detalles más definidos en el modelo de SLS. El modelo de resina es muy suave y muchos de los detalles se han fundido con las estructuras de soporte.

En general, el modelo SLS ha proporcionado los mejores resultados de superficie: el corazón no se ve comprometido por ninguna huella superficial o estructura de soporte, y no lleva ninguna marca de intervención mecánica. Lo más importante es que la geometría interna de la pieza también es de alta calidad.

En las aplicaciones médicas, tanto para la investigación como para la preparación de la cirugía, la calidad de la superficie de las cavidades internas es tan crítica como la de las características externas. Al observar los modelos con un microscopio, la pieza FDM tiene grandes capas redondeadas visibles en la superficie (de hecho, éstas son visibles sin el microscopio). El proceso SLA utiliza capas planas muy finas, lo que da lugar a un acabado superficial suave. Por último, el proceso SLS da lugar a una superficie rugosa sin capas perceptibles. A simple vista, las piezas de SLS parecen mates, lisas y sin capas.


Precisión geométrica

Los soportes también influyeron en la precisión de los modelos de corazón impresos en 3D. Por un lado, los restos de las estructuras de soporte en los modelos de corazón redujeron la precisión geométrica de la impresión. Además, había demasiado material adicional en algunas de las cavidades del modelo de corazón, lo que hacía imposible la medición. En el caso del modelo de resina, también hubo un problema con el curado: el material no se curó completamente en el centro del modelo, lo que provocó una imagen borrosa.

El modelo de SLS era muy superior en cuanto a precisión, en gran parte gracias a la falta de soportes. Las mediciones en el corazón de SLS estaban dentro de +/- 0,1 mm, lo que se considera una gran precisión (el estándar de fabricación según 3D Hubs en la tecnología SLS es de +/- 0,3 mm).

SLS, una solución perfecta para los modelos médicos

El SLS permite a los usuarios producir geometrías detalladas que son difíciles -si no imposibles- de conseguir con otros procesos de impresión 3D. Se trata de una capacidad muy valiosa en el sector médico, donde los profesionales de la medicina se benefician de modelos anatómicos muy precisos a la hora de planificar una intervención quirúrgica o comunicar un procedimiento a los pacientes.

El tiempo también es un factor vital en la industria médica. Al eliminar la necesidad de retirar el soporte tras el procesamiento, la tecnología SLS puede entregar las piezas anatómicas en un plazo determinado, reduciendo los tiempos de espera para las piezas y poniendo los modelos en manos de los profesionales médicos con mayor rapidez. Con Sinterit Lisa y la nueva gama de accesorios de impresión, es más fácil conseguir piezas de alta calidad y alta fidelidad con geometrías complejas fuera del alcance de otras tecnologías de impresión.

3D Media Printing Network Versión original en inglés

Traducción realizada con la versión gratuita del traductor www.DeepL.com/Translator

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