Impresión 3D: Convertir Bits en Átomos

Impresión 3D - De Bits a Átomos

En los últimos años atestiguamos la popularización de una tecnología que raya en lo mágico, al permitir crear objetos tridimensionales físicos a partir de modelos digitales. Esta tecnología es conocida como impresión 3D (o 3D printing).

En 1984 la tecnología nos traería un invento revolucionario: el scanner. Este dispositivo era capaz de convertir la imagen de un documento impreso a un archivo digital. La tecnología había dado un paso gigantesco, convertir lo físico en digital, átomos en bits.

Pero, ¿qué pasaría si pudiéramos hacerlo al revés, convertir bits en átomos?



¿Qué es la impresión 3D?

Podemos decir que es una tecnología que permite la fabricación de objetos tridimensionales sólidos por medio de la adición de capas de material que se van acumulando una sobre otra. A este tipo de fabricación se le conoce como manufactura aditiva (additive manufacturing).
Y cabe mencionar que el concepto de manufactura aditiva por sí mismo es revolucionario, pues el tipo de fabricación que utilizamos en la actualidad es conocido como manufactura sustractiva, ya que los objetos se fabrican a partir de quitar material.
Por ejemplo, para obtener una pieza o un objeto a partir de un bloque de metal es necesario ir eliminando (o sustrayendo como lo indica su nombre) el material hasta lograr tener el objeto en cuestión. A continuación, verás un ejemplo de manufactura sustractiva.

Pero regresando al tema de la impresión 3D (con su manufactura aditiva), la adición de capas se puede lograr, principalmente, de una de las siguientes formas:
al fundir polímeros líquidos con un láser, al unir partículas (granos) utilizando un láser o un material adicional para unirlo (un adhesivo, por ejemplo), o extruir (empujar) material derretido.
Pero para no complicarnos con los términos, aquí te dejo un ejemplo de manufactura aditiva en acción:

La Manufactura Aditiva

Como ya expliqué en las últimas líneas así como dar un ejemplo en video, la manufactura aditiva revoluciona lo que conocíamos previamente dentro de la manufactura al poder trabajar materiales por capas, pero no solo eso, sino que nos permite obtener grandes beneficios como:

Personalización. Al momento de la fabricación permite que los productos se ajusten a las necesidades o gustos individuales.
Complejidad. Debido a que cada capa de los objetos impresos es creada secuencialmente, la impresión 3D por medio de sus capas nos permite crear estructuras externas e internas complejas, que no pueden ser logradas por medio de moldes tradicionales.
Sustentabilidad. Sólo se utiliza la cantidad exacta de material para crear un objeto, no hay que remover nada como ocurre con la manufactura sustractiva actual, donde se parte de una pieza completa de material y se van quitando partes para crear el objeto requerido.

 

Usos de la Impresión 3D

Rapid prototyping. En primer lugar, se evalúa el diseño del objeto antes de ser impreso. Posteriormente, se crea el modelo físico, lo que permite utilizarlo en el mundo real y entender mejor el uso que un potencial consumidor le puede dar. Si se encuentran dificultades en la utilización del objeto, o algún otro tipo de inconveniente, se hacen las modificaciones en el modelo digital y se vuelve a imprimir para repetir el ciclo.

Construcción de piezas ligeras. Gracias a la manufactura aditiva, se pueden imprimir objetos con estructuras internas con espacios entre ellas, lo que las vuelve más ligeras. Esto es ideal para la industria aeronáutica. Dichas estructuras son imposibles de construir con la manufactura tradicional.

Restauración y reparación. Se pueden construir piezas que ya no siguen en fabricación. Desde radiadores para autos antiguos, hasta cohetes de la década de 1960. Pero no sólo se pueden rehacer los diseños originales, sino que se pueden optimizar, volviéndolos más eficientes que las piezas originales.

Productos con funcionalidad mejorada. Con la ayuda del diseño generativo (Este es un proceso que busca imitar el enfoque evolutivo de la naturaleza en el diseño, a través de la exploración de permutaciones del objetivo para el cual el objeto fue diseñado). Under Armour presentó unos tenis, el modelo “UA Architech”, creados de acuerdo a los lineamientos del diseño generativo e impresos en 3D. El precio de cada par fue de $299 USD, los 96 juegos que tenían se acabaron rápidamente.

Implantes médicos personalizados, tales como reemplazos de dientes, huesos enteros o partes de estos, vértebras e, incluso, se pueden imprimir los huesos que están en el oído interno y que son responsables de la audición. En el futuro se espera que se puedan imprimir tejidos y órganos enteros

Patrones para fundición de metal. Mezclando la creación de moldes para fundición impresos en 3D, es posible generar piezas metálicas que hasta ahora no habían sido posibles de fabricar.

Ahora, durante la pandemia de COVID-19, se está utilizando la impresión 3D para crear adaptadores para escudos faciales (los que utilizan los médicos para añadir una capa de protección al tratar con los pacientes), así como mascarillas y filtros, entre otros.

 

El proceso de impresión 3D

Lo primero es crear un modelo tridimensional. Se puede recurrir a software de modelado, scanners 3D, o modelos creados a través de información fotogramétrica (La fotogrametría es la técnica que permite estudiar y definir con precisión la forma, dimensiones y posición en el espacio de un objeto cualquiera, usando básicamente medidas hechas sobre una o varias fotografías de dicho objeto).
Después, este modelo será revisado para asegurar que no tenga partes incompletas o incorrectamente colocadas. Normalmente el archivo será convertido a un formato STL y enviado a la impresora.
Sin embargo, a pesar de que suena bastante fácil este proceso sobre todo para aquellos experimentados en 3D, para ya imprimir un modelo es necesario considerar algunos puntos importantes:

Primero, se deberá considerar el tamaño del objeto a imprimir, que estará limitado a lo que la impresora pueda hospedar en su interior. Una alternativa para imprimir objetos más grandes es imprimir secciones separadas y luego unirlas.

Segundo, todos los objetos deben fabricarse con soportes. Podríamos definir estos como bases que permitirán mantener la integridad del objeto durante la impresión, evitarán que partes del objeto caigan o se desprendan mientras este está siendo construido. Además, estas bases servirán como disipadores de calor.

Tercero, todos los modelos deben ser revisados en un software de mesh repair (reparación de malla) para asegurar que no haya hoyos o huecos en la superficie del modelo, que todas las superficies coincidan y no haya faltantes o sobre-posiciones incorrectas de piezas.

Cuarto, no todas las impresoras pueden imprimir todo. Es sumamente importante decidir previamente qué tipo de equipo utilizaremos, ya que eso determinará los materiales que serán utilizados durante la impresión del objeto 3D. Recuerda que no hay tecnologías que sean perfectas para todo tipo de aplicaciones.

Quinto, Los objetos construidos requerirán de algún post-proceso, como remoción de soportes o aplicación de resinas adicionales para volverlos más resistentes.

 

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Tipos de tecnologías para la Impresión 3D

A grandes rasgos, estos son los principales tipos de tecnologías de impresión 3D en la actualidad.

Estereolitografía (SLA). El objeto es construido en un depósito lleno de resina líquida. Se utiliza un láser para “trazar” la capa de impresión.

Sinterizado por láser (SLS, DMLS). El objeto es construido en un recipiente lleno de material en polvo que se desplaza verticalmente. Este polvo es fundido mediante láser.

 

Deposición de hilo fundido (Fused Deposition Modeling – FDM). Utiliza un material fundido para crear el objeto físico.

Inyección de resina líquida (3D Systems: MJM Multijet Modeling / Objet Stratasys – Polyjet). La resina es solidificada por medio de luz ultravioleta o un láser.

Conceptos Importantes en la Impresión 3D

Solid modeling
Este concepto hace referencia al modelaje en 3D de un objeto sólido, es decir, este debe tener diseñado tanto el exterior como el interior. Es importante que un software de modelado 3D soporte esta característica.
Slicer
También llamado slicing software, es una aplicación utilizada por la mayoría de los procesos de impresión 3D para convertir el modelo a instrucciones específicas para la impresora. En otras palabras, son las rebanadas que formarán las capas de impresión.
Build plate
Es la plataforma donde se llevará a cabo la construcción del modelo. Algunas impresoras pueden calentar el build plate si el material de construcción lo requiere.
Mesh. La llamada malla hace referencia a la superficie de un modelo 3D.
Build volume. se refiere al área o volumen de impresión disponible.



Los Materiales para la Impresión 3D

A continuación, detallaremos los materiales más usados dentro de la impresión 3D, así como las tecnologías en las que se pueden llegar a utilizar.

Fotopolímeros. Los fotopolímeros son materiales que se pueden transformar de líquidos a sólidos cuando reciben un tipo de luz especial. Este tipo de técnica también es conocido como estereolitografía, término acuñado por su inventor Charles Hall a finales de la década de 1980, cuando también diseño el estándar de archivos STL que sigue siendo utilizado en la mayoría de las impresoras 3D hoy en día.

La estereolitografía utiliza luz ultravioleta enfocada para transformar un fotopolímero plástico líquido. La precisión que se logra al utilizar un láser ultravioleta permite trabajar con una altísima precisión, creando modelos incluso a escala microscópica en alta resolución.

El proceso de creación se realiza sobre una plataforma móvil que está sumergida en una delgada capa de fotopolímero líquido. El haz láser pasa de un lado a otro sobre el líquido para crear la primera capa del objeto. Cuando termina esta, la plataforma se sumerge un poco y el láser vuelve a pasar para crear la segunda capa. Este proceso se repite hasta completar todo el objeto. Cabe mencionar que cada capa debe estar conectada a la de abajo por medio de alguna estructura de soporte, de lo contrario el objeto podría comenzar a flotar en el polímero.

Una evolución de la estereolitografía es la utilizada por el sistema conocido como PolyJet. Usa “cartuchos” de distintos materiales, como si fuera una impresora de inyección de tinta. De esta forma se pueden crear objetos complejos con materiales rígidos y flexibles.

Termoplásticos. Es uno de los tipos de filamentos más utilizados para el modelado por deposición fundida. Estos plásticos vienen en una amplia gama de colores, incluidos algunos transparentes o fluorescentes que brillan en la oscuridad.

Entre los termoplásticos más usados podemos encontrar:

Ácido poliláctico (PLA). Es un polímero biodegradable, amigable con el ambiente. Es creado con base en plantas tales como la tapioca, el maíz y la caña de azúcar. Este tipo de material se derrite a temperaturas relativamente bajas (180° centígrados). La mayoría de las impresoras que usan PLA tienen un pequeño ventilador para enfriar el material tan pronto como es añadido, esto para evitar que las capas previas sean dañadas por el calor de las nuevas capas. El PLA puede ser un poco más frágil en comparación de otros termoplásticos, aunque estos son más baratos.

Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). Este material es utilizado en una gran variedad de aplicaciones industriales para extrusión y moldeo por inyección. Este tipo de material es utilizado en los juguetes Lego. Este plástico se derrite a mayor temperatura que el PLA, pero se une mejor a 220 – 235° centígrados. Este material se encoge ligeramente al enfriarse.

Policarbonato.  Es un material relativamente nuevo en la impresión 3D, se utiliza mucho en las industrias automotriz y aeroespacial, debido a su resistencia a las rayaduras y a los impactos. Requiere altas temperaturas de extrusión (más de 260° centígrados). El policarbonato es un material sumamente resistente, sin embargo, debido a que quedan huecos microscópicos durante la impresión 3D, dicha resistencia puede verse afectada.

Poliamidas (nylon/nilón/nailon). Es sumamente útil para objetos que requieren flexibilidad y una fuerte unión entre las capas de construcción. Requieren una extrusión entre 240 y 270° centígrados. Tiene una excelente adherencia entre capas. También es resistente a la acetona, que puede llegar a disolver materiales como el ABS y el PLA. Se puede utilizar para crear objetos muy ligeros.

Polivinilo (PVA). Es un material adhesivo biodegradable soluble en agua. Se extrude entre 180 y 200° centígrados. Algunas variedades del PVA tienen propiedades conductivas y pueden ser utilizadas para imprimir directamente circuitos eléctricos en los objetos. Debido a que los objetos impresos en PVA se disuelven fácilmente en agua, deben estar aislados de la humedad atmosférica. El PVA es utilizado como material de soporte para otro tipo de termoplásticos, debido a su alto índice de solubilidad.

Poliestireno de alto impacto (HIPS). Es una variación del estireno (el plástico que se utiliza para envolver comida). Es soluble en limoneno, una sustancia química incolora extraída de los cítricos. Su uso es relativamente nuevo en la industria y también se utiliza como material de soporte para otros termoplásticos.

Polietileno de alto impacto (HDPE). Este material es utilizado para hacer botellas y otros artículos reciclables. El HDPE se une fácilmente a sí mismo, pero no funciona muy bien en conjunto con otros materiales. Por su dificultad de uso, no es muy popular entre los entusiastas y profesionales de la impresión 3D, aunque se buscan opciones para facilitar su manejo.

Algunos otros materiales que se utilizan para la impresión 3D son:

Plástico pulverizado. Algunas impresoras pueden unir plástico pulverizado utilizando adhesivo líquido, como si fueran impresoras de inyección de tinta. Para reforzar este tipo de construcciones se utiliza resina de cianoacrilato.

Granos y polvos metálicos. Utiliza polvo granular hecho de metal o cerámicas. Este polvo puede ser solidificado por distintos medios, tales como fusión por medio de calor, derritiendo el material con láser o un haz de electrones para fundir únicamente los puntos que sean necesarios. Utilizados en las industrias aeroespaciales, automotrices y médicas, debido a la fortaleza que presentan los objetos creados con estos tipos de materiales. Muchos de estos metales son biocompatibles, como el titanio. Gracias al uso de láser o emisiones de electrones se pueden lograr detalles de altísima resolución. Otros metales que se pueden usar son el acero, el cobre y el bronce.

Azúcar y sal. La unión de los granos de estos materiales provee de un excelente nivel de detalles. La aplicación de calor carameliza la gran mayoría de los azúcares y crea un interesante resultado en el color.

Laminado. Este método utiliza capas recortadas de ciertos tipos de material, acomodadas una sobre otra para ser unidas posteriormente con adhesivos especiales. Entre los materiales que se pueden encontrar en este tipo de fabricación aditiva está el aluminio, plástico e incluso papel. El producto resultante será tan fuerte como los materiales con los que está hecho. Este tipo de manufactura puede ser requerido por clientes que necesiten modelos para rapid prototyping.

Modelado por deposición fundida. Fue inventado por la compañía estadounidense Stratasys a finales de la década de 1980. Utiliza el mismo tipo de archivos STL que los utilizados en la estereolitografía. El proceso de construcción consiste en colocar, por medio de una boquilla, capas de material termoplástico derretido, como si fuera pasta para dientes, una sobre otra. Este material se enfría a temperatura ambiente en cuestión de minutos.

 

Impresión 3D

Programas para Impresión 3D

Existen diferentes programas para impresión 3d, desde aquellos que son de grado industrial con licencias que pueden llegar a costar cientos de dólares, hasta los que son gratuitos. Entre las aplicaciones más usadas podemos encontrar:

Tinkercad

Gratuito. Es una aplicación de diseño 3D que se ejecuta en un navegador de Internet. Está diseñado para personas que están comenzando a crear modelos tridimensionales.  Un aspecto importante a considerar en Tinkercad es que puede soportar solid modeling.
Cuenta con una biblioteca con miles de archivos que los usuarios pueden utilizar. Además, cuenta con una integración directa para servicios de impresión 3D.
Tinkercad está disponible en este enlace.

Blender

Gratuito. Aunque no soporta solid modeling, permite cubrir muchas de las facetas del diseño 3D, como son modelado, animación y simulación, entre otras. Además, incluye herramientas para rendering, motion tracking y video editing. Cabe mencionar que su renderización es fotorrealista, llegando a un nivel que muy pocos softwares gratuitos pueden lograr.
Puedes conocer más de Blender en este enlace.

Big Buck Bunny creado en Blender

“Big Buck Bunny” creado e impreso en 3D por estudiantes del Blender Institute en Amsterdam (foto tomada de la nota de all3dp.com)

 

BLR-CAD

Gratuito. Desarrollado y utilizado por el ejército de los Estados Unidos, permite solid modeling y edición geométrica interactiva. Es open source y tiene una comunidad global que soporta esta aplicación.
Descargable desde https://brlcad.org/

 

ZBrush

Es un software para modelado en 3D, escultura y pintura digital. Los objetos creados en Medium, una aplicación de Realidad Virtual para escultura, pueden ser exportados a ZBrush e impresos desde aquí. ZBrush tiene diferentes tipos de licenciamiento, desde una suscripción mensual por $39.95 USD, 6 meses por $179.95 USD o una licencia perpetua por $895 USD. También cuentan con licenciamiento por volumen.
Puedes conocer más de Zbrush en este enlace.

MeshLab

Gratuito. Es un software para editar, limpiar, corregir, renderear y convertir archivos que contienen estructuras de malla. Es open source y multiplataforma. Soporta archivos en formato STL.
Lo puedes encontrar en https://github.com/cnr-isti-vclab/meshlab

Estos son solo algunos de los programas que puedes usar para hacer y exportar tus modelos a la realidad, sin embargo, existen una variedad más de programas que te pueden ayudar, revisa nuestra lista de programas de 3D donde puedes encontrar más opciones y algunos más que te pueden funcionar para la impresión 3D.

 

Impresoras 3D (Caseras)

Aquí es donde todo toma forma (de manera literal). A continuación, encontrarás impresoras que, a nuestra consideración, son las más adecuadas en su categoría.

Monoprice Voxel

Precio: $499.99 USD
Características: Utiliza filamentos de termoplásticos, entre ellos ABS y PLA. También soporta filamentos de cobre, acero y bronce. Tiene una pantalla táctil y un puerto USB para hacer la impresión directa. Alcanza una temperatura de 240° centígrados. Tiene un área de impresión de 150mm x 150mm x 150mm.

Monoprice Maker Ultimate 2

Precio: $549 USD
Características: esta impresora 3D Ultimate 2 incluye una serie de funciones que facilitan que nunca se obtengan impresiones 3D perfectas con un mínimo de complicaciones. La carcasa completa ayuda a mantener las temperaturas internas, asegurando que los corrientes de aire, el aire acondicionado y otros factores ambientales no tienen ningún efecto en la impresión y facilitando el trabajo con materiales como ASA y ABS sin temor a deformación.
Disponible en: Amazon

 

LulzBot Mini 2

Precio: $1,495 USD
Características: Compacta, portátil, escalable. Utiliza filamentos de PLA, metal, ABS, Nylon, otros tipos de poliamidas. La temperatura máxima que alcanza es 290° centígrados. Tiene un área de impresión de 160mm x 160mm x 180mm.

MakerBot Replicator Plus

Precio: Desde $1,999 USD
Características: Tecnología de modelado por deposición fundida (FDM). Utiliza PLA, bronce y cobre, entre otros. Área de impresión de 295mm x 195mm x 165mm. No se especifica la temperatura máxima que puede alcanzar.

Impresoras 3D (Uso Profesional)

Ultimaker S3

Precio: $4,500 USD aproximadamente.
Características: Para uso en oficina o taller. Utiliza PLA, ABS, Nylon, entre otros. Temperatura máxima de 280° centígrados. Área de impresión de 230mm x 190mm x 200mm.

LulzBot Taz Pro

Precio: $4,950 USD
Características: Puede imprimir en dos tipos de materiales al mismo tiempo. Utiliza fibras de Nylon, PLA, ABS, policarbonato, HIPS, entre otros. Temperatura máxima de 290° centígrados. Área de impresión de 280mm x 280mm x 285mm.

Sinterit Lisa Pro

Precio: Desde $14,490 USD (de acuerdo con algunos sitios)
Características: Utiliza poliamidas (Nylon) en polvo que es sinterizado por medio de un láser. Área de impresión 150mm x 200mm x 260mm

Rize One

Precio: $26,000 USD (de acuerdo a algunos sitios)
Características: Tecnología de modelado por deposición fundida (FDM). Área de impresión de 310mm x 200mm x 152mm.

 

Impresoras 3D (Uso Industrial)

Stratasys Connex1 Objet260

Precio: De $100,000 a $250,000 USD (de acuerdo con algunos sitios)
Características: Puede imprimir con múltiples materiales entre ellos fotopolímeros transparentes y biocompatibles especialmente diseñados para este equipo. Área de impresión de 490mm x 390mm x 200 mm.

 

3D Systems ProX DMP 300

Precio: Desde $250,000 USD (de acuerdo con algunos sitios)
Características: Utiliza metal pulverizado. Área de construcción 250mm x 250mm x 330 mm.

Recursos Adicionales

Thingiverse

Este sitio merece una mención especial. Se trata de un repositorio de acceso libre, donde usuarios de todo el mundo comparten modelos 3D listos para ser impresos. ¿Recuerdas que algunas líneas arriba hablamos de los objetos que se están creando y compartiendo para ayudar a aliviar la pandemia? Aquí encontrarás una enorme variedad de ellos.
Para explorar dirígete a https://www.thingiverse.com/

 

RepRap 3D Printing

Este concepto trata sobre una impresora 3D replicable, es decir, que puede imprimir partes plásticas para crear otras impresoras 3D. Este es un proyecto libre con licencia GNU GPL. El objetivo del proyecto es que en todas las casas o centros comunitarios exista una impresora RepRap para que puedan imprimir las herramientas y objetos que necesiten.
Para revisar más respecto a este fascinante proyecto, da clic aquí, e incluso tendrás información disponible de cómo hacer tu propia impresora RepRap.



¿Y qué pinta el futuro?

La impresión 3D nos permitirá ir de lo macro, con la construcción de casas y edificios, a lo micro, con la creación de estructuras celulares que, en conjunto, crearán órganos de reemplazo para nuestros propios cuerpos.
Mientras tanto, qué mejor forma de construir el futuro que crearlo, o imprimirlo en 3D, desde ahora.

¡Felices impresiones!

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