Diseño de recursos educativos abiertos para el proceso de enseñanza-aprendizaje en manufactura aditiva con polímeros

Abstract

Hoy en día prácticamente todos los sectores, desde el educativo y de investigación hasta el industrial, buscan incorporar nuevas tecnologías que permitan obtener productos con mejores propiedades a través de procesos cada vez más eficientes. Para ello es necesario que diversas disciplinas trabajen en conjunto para lograr tal objetivo. Además de diversas ramas de la ingeniería, las ciencias de los materiales acompañan la búsqueda de este objetivo, lo cual nos ha posicionado en la nueva era de los materiales avanzados.

La manufactura aditiva (MA) es un ejemplo de lo anterior, que al conjuntar los esfuerzos de ingeniería de materiales, mecánica, mecatrónica, química, diseño industrial, entre otras, constituyen una herramienta con un enorme potencial de aplicación que abarca desde la industria automotriz hasta el área biomédica. La MA se refiere a un conjunto de procesos y tecnologías para la fabricación de objetos mediante la adición de material de manera automatizada, típicamente capa por capa, a partir de información proveniente de un archivo digital [1]. La MA se clasifica en siete procesos: extrusión de material (ME por sus siglas en inglés), Fusión de Cama de Polvos (PBF), Rociado de Material (MJ), Rociado de Aglutinante (BJ), Laminación de hojas (SL), Deposición de Energía Directa (DED) y Fotopolimerización en Tina (VAT) [2]. La MA se conoce como prototipado rápido o como impresión 3D. Este último se ha convertido en un término muy popular y que frecuentemente se utiliza como sinónimo de la MA por su simplicidad y fácil visualización. Sin embargo, en el sentido estricto, la impresión 3D hace referencia a un término introducido por el MIT en 1989 que define la tecnología BJ y MJ. Para iniciar el proceso de MA se debe partir de un archivo digital cuyo formato de entrada más común es el STL, que es un lenguaje triangular estándar [3]. Este archivo se exporta a un software específico de la tecnología a utilizar para definir la orientación de la construcción, generar las estructuras de soporte y transferir la información a las máquinas. Posteriormente, se definen los parámetros de construcción (como el espesor de cada capa y el material a utilizar) y se genera un archivo final que la máquina utilizará para realizar la manufactura [4]. La diferencia que existe entre los diversos sistemas de manufactura aditiva es básicamente el proceso por el cual las capas son generadas y unidas, lo cual, a su vez, determinará los posibles materiales a utilizar en el proceso. Así, existen procesos que permiten fabricar piezas de materiales cerámicos o metálicos únicamente, como PBF, mientras que otros están limitados a polímeros, como VAT, ME y MJ. Por otro lado, sistemas de MA como BJ, permiten trabajar con materiales poliméricos, metálicos y cerámicos [5].

Una de las características más atractivas de la manufactura aditiva, es la posibilidad de construir piezas con geometrías sumamente complejas de manera económica y rápida, en comparación con las tecnologías sustractivas, que implican un alto costo en herramental y maquinaria, además de que resulta difícil implementar cambios una vez estandarizado el proceso. La flexibilidad que tiene éste tipo de producción se asocia a la diversa gama de materiales que pueden ser utilizados en conjunto con procesos que permiten el ahorro de energía y reducción en la generación de desechos [6].

Las ventajas competitivas que ofrece la MA sobre otro tipo de procesos se debe particularmente a la capacidad de construir piezas de materiales de alta tecnología (como materiales funcionalizados, nanoestructurados e incluso células) y de geometrías sumamente complejas que sería incluso imposible construir por otros métodos[79]; en términos de tiempos de producción y costos para lotes pequeños o piezas únicas, la manufactura aditiva resulta mucho más eficiente. La Manufactura Aditiva es una tecnología que sugiere ser la punta de lanza en el área de la manufactura y justifica el interés académico por generar herramientas didácticas y recursos educativos digitales de libre acceso, que faciliten el proceso enseñanza-aprendizaje, sobre todo cuando en la actualidad no existe la infraestructura disponible para todos los alumnos que requieren conocer esta tecnología. Tanto las investigaciones en los procesos de MA como sus aplicaciones avanzan a pasos agigantados, por lo cual es fundamental que los futuros profesionistas se involucren en tópicos pertenecientes a lo que se ha llamado la ingeniería del futuro[10].

Actualmente, el tema de la MA no ha llegado a incorporarse al contenido temático de las diversas ingenierías y/o carreras afines que pudieran beneficiarse de este conocimiento como el caso de Diseño Industrial por lo que el objetivo de esta propuesta es el diseño de material didáctico que permita el acceso a los alumnos desde cualquier plataforma digital y apoye en su proceso aprendizaje de la MA.