Instituto Tecnológico de Nuevo Laredo Departamento de Ingeniería Eléctrica • Electrónica • Mecatrónica Especialidad: Ing. Mecatrónica Materia: Taller de Investigación II Proyecto: Impresiones 3D Alumno: Set Alejandro Alfaro Castro No. Control: 12100535 Maestro: Ing. Jaime Ramírez Aguilar Nuevo Laredo, Tamaulipas a Marzo del 2015 Dedicatoria (En proceso) Indice ( Esperando que termine para ordenar el índice) Indice de tablas y figuras (Esperando que termine para ordenar tablas y figuras) PROLOGO Este documento contiene la investigación realizada a lo largo del semestre que comprende los meses de enero a mayo del 2015, aproximadamente. Se presenta un reporte final de todo lo que conlleva un proyecto de investigación a nivel superior: desarrollo de la investigación (indgaciones, trabajo de campo, entre otras cosas), análisis de la informacion, etc. El documento se reviso con rigurosa dedicación de acuerdo a las normas establecidas en la norma “ITNL-DIEE-AIEE-E01-2000” (para el desarrollo de la memoria de un proyecto) y asi posteriormente ser revisado por el profesor en curso actual de la materia de Taller de Investigacion II. La intención de este reporte es que futuras generaciones tengan base para la elaboración de un proyecto de investigación y a la vez para el tema desarrollado en el mismo, que sirva de apoyo para análisis y mejoramiento de información útil para el provecho del lector. Concluyendo este apartado se recomienda mucha precaucion al leer el contenido del proyecto, ya que cada cosa es una cadena de la otra y al perder la secuencia causaría un dificl entendimiento del tema que se desarrollara a continuación. INTRODUCCION La impresión 3D es un tema que tiene mucha relevancia hoy en dia dado que su uso se esta ampliando y no solo eso también a llegado a compañías, empresas, locales, todo lo que involucre grandes, medianas y pequeñas empresas pero aun asi al dia de hoy la impresión 3D no es todavía un fenómeno masivo en el ámbito doméstico, o como mínimo podríamos decir que no ha llegado a convertirse en un objeto cotidiano en el hogar, como sí lo son las impresoras de tinta convencionales. Mucha gente desconoce los conceptos fundamentales de la impresión 3D y por ello vamos a intentar resumirlos brevemente en esta investigación. Se abarcaran varios temas de sumo interés al lector como lo son desde conceptos básicos a algunos mas avanzados que tienen un seguimiento continuo al punto que se quiere llegar de esta investigación. Algunos de estos serán lo básicos desde ¿que es una impresora 3D?, ¿Qué es la fabricacions por adicion?, ¿Tipos de Impresoras?, ¿Conocimientos que se requieren para el uso de impresión 3D? Estos y muchos mas conceptos e interrogantes mas, serán contestados en esta investigación asi desde la historia hasta lo mas tecnológico que se encuentra actualmente en el mercado El ENUNCIADO DEL PROBLEMA Y SU FORMULACION Enunciado del problema Hoy en dia la preocupación de muchas empresas y locales de adquirir productos a bajo costo es algo dificil dado que año con año se inventan cosas mas novedosas y costosas para uso rudo que no muchas personas pueden costear o si pueden pagarlo para las ganancias serian reducidas mucho y es aquí donde entran las impresiones 3D ya que no solo pueden crear figuritas para entretenimiento sino modelos, maquetas, piezas, útiles que se usan en empresas y haci facilitar el trabajo de la misma y pueden ser creadas a bajo costo dependiendo del método que se quiere utilizar. Para aprovechar al máximo nuestro dinero y/o inversión es necesario conocer esta nueva tendencia que esta surgiendo. Las impresoras 3D van a ser la solución y a la vez el inicio de muchos problemas relacionados a imprimir objetos en 3D. En algunos países si no es que en la mayoria, ya salieron a la venta impresoras en 3D en un precio que ronda los 15-25 mil pesos mexicanos eso si son las mas economías y de uso muy domestico. Se dice que estas impresoras podrán causar tanto una revolución hogareña como industrial ya que la precisión de los artículos es muy interesante. Para imprimir un objeto en 3D hay que escanearlo primero en 3D. No solo se podrá hacer una réplica de un producto, sino que se podrá imprimir un objeto desde un archivo. De esta forma, podremos realizar un objeto que queramos, en unas pocas horas (alrededor de 2, dependiendo de la impresora 3D en particular). Otra forma de fabricar objetos es dibujar uno en la computadora con las medidas y la forma que queramos y luego pasarlo a un archivo para poder realizarlo en 3D. Como ingeniero mecatronico la innovación es algo primordial , y uno de los mayores problemas que se presentan en las industrias mas las que recién empiezan son los altos costos de piezas que necesitan por eso la revolución de estas impresiones 3D es muy imporante en pocas palabras se tiene que llegar a solucionar esta problema de altos costos ya que si no se hace mucho locales podiran ser afectados. “En algunas aplicaciones industriales se requiere de muchas piezas en grandes cantidades ya se de engranajes, tornillos, clavos etc… y por ende también existen muchos altos costos para su producción y todo esto contribuye a que no se usa ampliamente el termino de Impresiones 3D” Formulacion del Problema ¿Cuál seria la ventaja del uso de impresiones 3D en la industria, comercio, el uso domestico? ¿Se podrán reducir costos al aplicar este termino? ¿Hay beneficios tanto al comprador como al proveedor? ¿En cuales ámbitos seria viable el uso de la impresión 3D? OBJETIVOS GENERAL Conocer de que manera influirán el uso de las impresiones 3D en la industrias, comercio, casa o donde quiera que se pueda aplicar este concepto tanto de manera global, local y como persona. ESPECIFICOS 1. Conocer el uso de impresiones 3D en diversos ámbitos. 2. Conocer instrumentos y formas para la aplicación de dicho concepto. 3. Determinar de que manera influye este concepto en ámbitos distintos. 4. Observar como actúan las personas y/o maquinaria que se cree mediante este proceso nuevo que esta surgiendo y agarrando fama 5. Ventajas y Desventajas que se aplican para este concepto JUSTIFICACION TEORICA Este tema es de mucho interés para las nuevas personas que desean ser emprendedores y no hallan como hacerlo ya que hay muchas empresas que ocupan digamos lo que uno quiere emprender y eso no solo puede resultar en fracaso si no en grandes perdidas tanto económicas a nivel personal y posiblemente a nivel nacional pero si se conocen nuevas conceptos como el de esta investigación se puede enprender de muchas maneras desde crear figuras alusivas a un juego para vender su reproducción hasta crear partes de maquinas y no solo eso se reducirán costos y la efectividad podría ser la misma o superior. Para eso tienen sus ventajas y uno de los problemas que se pretende resolver es el desempleo y los altos costos ya que este nuevo termino se puede emplear como uso personal en casa y no gastar tanto como inversión primaria , y dado que es un tendencia nueva muchos curiosos compran para probar este nuevo proyecto. Y lo mejor de todo es que ambos el que compra y vende son beneficiados por este nuevo método de fabriacion por adicion que mas adelante se hablara de este punto. Con este apartado quiero generar conciencia de lo que uno se esta perdiendo estancado en métodos clásicos de producción que si pueden ser viable pero como ingenieros se debe buscar reducir costos y aumentar producción conceptos básicos que no se deben perder de vista si se quiere salir adelante en el mundo del trabajo. PRACTICA Los avances en impresión 3D permiten resolver problemas que antes eran imposibles de solucionar. Además de soluciones estéticas o de prototipado rápido, hoy se pueden fabricar prótesis de metal o plástico a la medida, o incluso órganos con menor probabilidad de rechazo gracias al uso del ADN del propio paciente. Si bien actualmente la demanda en este segmento todavía es muy baja, Tomás Chernoff, del staff de Robtec Argentina, se muestra optimista y confía que poco a poco las impresoras se irán metiendo en los hogares. "La gente tiene que entender la utilidad de las impresiones: por ejemplo, si de repente necesitás un objeto doméstico cualquiera o se te rompe la perilla del horno, del lavarropas o la manija de un cajón, una impresora 3D -por un costo mínimo- te resuelve el problema", asegura. En otras palabras podrán ser muy viables si se usan correctamente y los conocimientos que se necesitan no son muy avanzados dado que los softwares son fáciles de usar el único inconveniente si acaso seria la primera inversión pero puedo ser de hasta 25 mil una económicas hasta los 100 mil una mas avanzada. LIMITACIONES TIEMPO La investigación se llevara acabo en 16 semanas, aproximadamente, que forman parte del semestre en curso: enero-mayo 2015. Tambien se presenta la semana de bandas de guerra en el Instituto Tecnologico de Nuevo Laredo, pero consideramos que se trabajara en ese tiempo también pero este es un factor ya que se requiere de una buena investigación meticulosa ya que este tema apendas esta agarrando tendencia y no hay mucha información fiable en internet y mucho menos libros ya que al ser un nuevo tema apenas se esta desarrollando por lo tanto se necesitan de tiempo para leer y seleccionar información útil y verídica al lector. ESPACIO O TERRITORIO No se cuenta con espacio designado en el Instituto Tecnologico sobre este tema por lo tanto desarrollarlo será por mi propia cuenta en investigaciones de campo e internet para formular un buen proyecto útil al lector RECURSOS Al ser un estudiante apenas de universidad no se tiene un ingreso económico bueno por lo tanto no puedo costear un equipo de impresora 3D pero si les puedo cotizar lo que vale un equipo en un aproximado por si alguien quiere adquirir uno y el precio seria de $12,000 sin incluir los talleres para el uso del mismo. A continuación presinto lo que incluye esta cotización: Especificaciones Técnicas: Área de impresión: 20cm x 20cm x 20cm Resolución máxima: 100 micras Altura de Capa: 0.1 a 0.4 mm, dependiendo de la resolución que el usuario deseé. Extrusor: Más de 300 grados C, lo cual permite utilizar más materiales que solo los convencionales: Filamento: 3mm, tal como PLA y ABS, Nylon, PVA, Polycarbonato y Laywood. Cama Caliente: Incluida, máx 135 grados C. LCD para operación con memoria SD, Alimentación: 110 VCA Incluye herramientas para el armado: 1 pinza de punta y corte 1 desarmador 1 espátula 1 memoria SD (para imprimir sin necesidad de conectarse al puerto USB 1 cable USB 1 kit de llaves Allen. Software, el cuál podrás descargar desde una liga que te enviamos. Soporte a través de correo electrónico y teléfono. Manual de Usuario Manual de armado - Kit de impresora MARCO DE REFERENCIA ANTECEDENTES En 1984, Charles Hull, co-fundador de 3D Systems, inventó la estereolitografía, un proceso de impresión que da como resultado objetos 3D tangibles creados a partir de información digital. Esta tecnología se emplea para crear un objeto 3D a partir de una imagen y permite a los usuarios probar un diseño antes de invertir en un programa mucho más grande de producción. ¿Cómo funciona la impresión 3D? Las impresoras 3D funcionan como las impresoras de inyección de tinta. Pero en lugar de tinta, depositan el material 3D en capas sucesivas para crear un objeto físico a partir de un archivo digital. Cronología 1992. La primer máquina de estereolitografía fue creada por 3D Systems, con un rayo ultravioleta que solidificaba un fotopolímero. Este es un líquido muy similar a la miel con el que se construyen partes tridimensionales capa por capa. Los resultados no fueron perfectos, pero esta máquina demostró que algunas partes complicadas pueden crearse en muy poco tiempo. 1999. Se implantaron en humanos los primeros órganos modificados por medio de implantes arteriales impresos en 3D y cubiertos con células del paciente. Esta tecnología se desarrolló en el Instituto Wake Forest para Medicina Regenerativa, y sirvió como inicio para otras estrategias para desarrollar ingeniería de órganos, incluso imprimirlos. 2002. Los científicos diseñaron un riñón miniatura completamente funcional capaz de filtrar sangre y producir orina diluida en un animal. Este desarrollo fue el inicio de la investigación para “imprimir” órganos y tejidos usando tecnología de impresión 3D. 2005. El Dr. Adrian Bowyer de la Universidad de Bath fundó RepRap, una iniciativa open-source para crear una impresora 3D que pudiera imprimir sus propias partes. Este proyecto buscaba democratizar la fabricación de objetos cotidianos por medio de la impresora. 2006. En este año aparecieron los primeros dispositivos de SLS (sinterización láser selectiva). Esta máquina usa un láser para convertir materiales en productos 3D, lo cual fue un inicio para la producción en masa de objetos cotidianos, partes industriales e incluso prótesis. También durante este año se creó Objet, un sistema de impresión 3D que puede imprimir con materiales diversos como elastómeros y polímeros, y hace posible que una pieza se pueda hacer de diferentes densidades y propiedades. 2008. El proyecto RepRap lanzó Darwin, la primer impresora auto-replicante que puede imprimir la mayoría de sus componentes, lo cual permite a alguien que ya cuenta con una, imprimir otras para sus amigos. También en este año caminó la primer persona con una impresión de prótesis 3D, la cual incluía la rodilla, el pie y el tobillo en una misma estructura. 2009. MakerBot Industries, empresa open-source de hardware para impresoras 3D lanza al mercado kits para hacer tu propia impresora 3D. 2010. Los ingenieros de la Universidad de Southampton diseñaron la primer aeronave impresa en impresora 3D, que se construyó en 7 días y una de las ventajas con la impresión 3D son las alas elípticas, una característica muy cara en fabricación convencional pero que mejoran la eficiencia aerodinámica y minimiza el arrastre. 2011. La compañía Kor Ecologic lanzó un prototipo de automóvil amigable con el medio ambiente llamado Urbee, cuya armazón fue completamente impresa en 3D. El modelo se diseñó para ser barato y eficiente, y podría costar de 10,000 a 50,000 USD si se vuelve comercialmente viable. 2013. En Holanda se usó una impresora 3D para imprimir una quijada 3D que se implantó en una mujer mayor, quien sufría una infección crónica de hueso. Actualmente se está investigando esta tecnología para la creación de tejido óseo. ESTADO DEL ARTE A lo largo de lo que va esta investigación se han se han propuesto problemas que involucran a las impresiones 3D y cuales pueden ser sus ventajas y desventajas. El desarrollo y futuro impacto de las tecnologías de la manufactura aditiva (impresión 3D) puede ser entendida dentro del marco de la evolución de los laboratorios de Fabricación digital (Fab Lab). Muchos se preguntaran los siguiente: ¿Qué son los Laboratorios de Fabricación Digital? Los Laboratorios de Fabricación Digital (Fab Lab's) son la red más importante del mundo que buscan facilitar el acceso masivo a los medios modernos de invención. Fue creada (MIT 2001) con el fin de revolucionar el sistema industrial y dar el poder a las personas de fabricar casi cualquier cosa. Comenzaron como un proyecto de extensión del Centro de Bits y Átomos (CBAMIT cba.mit.edu) y en la actualidad su influencia se ha extendido por todo el mundo: desde zonas urbanas en Boston hasta la áreas rurales en la India, desde el calor de Sudáfrica al frío de Noruega. Las actividades de los Laboratorios de Fabricación Digitales son muy diversas y van desde el empoderamiento tecnológico: brindando capacitación técnica para la solución de problemas locales y la incubación de pequeñas empresas de alta tecnología, hasta el desarrollo de proyectos: que incluye turbinas de energía solar y eólica, redes inalámbricas de datos, instrumentación analítica para la agricultura y la salud, vivienda personalizada y prototipado rápido de máquinas; en última instancia, se busca crear ensambladores moleculares programables. MARCO CONCEPTUAL Conceptos básicos de una impresora 3D Antes de nada, hay que tener en cuenta que el mundo de la impresión 3D está en auge, ya sea para miniaturas, prototipados, joyería, etc, pero hay que saber diferencias los 2 grupos principales de usuarios o adquisidores de este producto: Gran público o Profesionales. Una impresora 3D destinada a uso doméstico no podrá ser comparada ni en calidad, ni en resultado final con una profesional y eso simplemente, y por empezar por algún sitio, se nota en el precio. Las impresoras 3D “caseras” ya pueden ser encontradas desde 600€ y te permites crear piezas muy básicas con materiales aceptables pero no con una calidad suficiente para poder usarlos a nivel industrial. Luego en otro escalon bastante más arriba se encuentran las impresoras industriales las cuales se dividen en 2 grupos: Impresora de Adición: también llamada de inyección de polímeros la cual imprime por capas añadiendo el material a cada una de ellas Impresora de compactación: Que pueden usar tinta o laser y las cuales compactan un polvo que hace a su modo de tinta, derritiendo el plástico y construyendo la pieza. Las impresoras 3D profesionales pueden costar decenas de miles de euros incluso cientos, dependiendo del tamaño y módulos que posean. Lógicamente la resolución de esta es múcho mayor pudiendo llegar a hacer piezas de micras de tamaño y con un realismo increible. ¿QUÉ SON LAS IMPRESORAS 3D? El término impresora como su nombre indica hace referencia a ese objeto que siempre hemos tenido en casa o en la oficina de nuestro trabajo y que, conectado a nuestros ordenadores, es capaz de producir documentos almacenados en nuestros ordenadores, fundamentalmente documentos de texto y/o documentos gráficos (en color o en blanco y negro). Con esto podemos conseguir pasar documentos electrónicos a documentos físicos. Veamos pues, qué es una Impresora 3D y qué maravillas nos ofrece. Una impresora 3D lo que realmente hace es producir un diseño 3D creado con el ordenador en un modelo 3D físico. Es decir, si hemos diseñado en nuestro ordenador por ejemplo una simple taza de café (por medio de cualquier programa CAD – Diseño Asistido por Computador) podremos imprimirla en la realidad por medio de la impresora 3D y obtener un producto físico que sería la propia taza de café. Por lo general, los materiales que se utilizan para fabricar los objetos pueden ser metales, nylon, y como unos 100 tipos de materiales diferentes. Una impresora 3D es algo mágico, es como si pudiéramos por fin crear objetos de “la nada”. Objetos tan sencillos como una taza de café a objetos mucho más complicados e increíbles como partes de un avión o incluso órganos humanos utilizando las propias células de una persona. ¿CÓMO FUNCIONAN LAS IMPRESORAS 3D? Las impresoras 3D utilizan múltiples tecnologías de fabricación e intentaremos explicar de forma sencilla cómo funcionan. Las impresoras 3D lo que hacen es crear un objeto con sus 3 dimensiones y esto lo consigue construyendo capas sucesivamente hasta conseguir el objeto deseado. Echa un vistazo a la siguiente imagen para entenderlo mejor: En la imagen anterior vemos 3 figuras. La primera es la que dibujamos nosotros mismos en un papel, por ejemplo, del objeto que queremos imprimir en sus 3 dimensiones, después, con un programa de CAD diseñamos ese objeto en nuestro ordenador que sería la segunda figura, y por último separamos ese objeto en capas para ir imprimiendo capa por capa en la impresora de 3 dimensiones, que es lo que vemos en la tercera figura. Es decir, de un boceto en papel podemos conseguir un objeto en la realidad con el material adecuado. ¿QUÉ OBJETOS PODEMOS HACER CON UNA IMPRESORA 3D? Los objetos que pueden imprimirse en 3D son múltiples y variados. Objetos caseros, maquetas, alimentos, componentes espaciales, prótesis, órganos humanos, etc. Digamos que todo lo que puedas “crear” por ti mismo podría imprimirse en 3 dimensiones. Nada se resiste a las impresoras 3D. Es lógico pensar que estas impresoras están diseñadas para objetos pequeños pero nada más lejos de la realidad ya que existen impresoras de grandes dimensiones que pueden incluso imprimir un edificio por piezas con sus muebles incluidos. Para el año 2014 la propia NASA enviará una de estas impresoras 3D a la Estación Espacial Internacional para que los astronautas puedan fabricar piezas que consideren necesarias en el espacio. Esto en si es lo básico de como funciona una impresora 3D y que es un impresora 3D los puntos básicos que se necesitan saber mas adelante se hablaran de softwares y procesos de impresión que involucran estos conceptos. Marco Teorico Una vez dicho todo lo anterior procederá a explicar detalladamente lo mas posible los puntos antes visto una nueva revolución industrial Ingenieros, arquitectos y diseñadores llevan años usando impresoras 3D para crear sus prototipos, pero el abaratamiento de esta tecnología está haciendo que sea cada vez más asequible para muchos otros sectores. Los objetos 3D se crean mediante el envío de un archivo digital o imagen escaneada que se manda a la impresora que los hace realidad capa a capa, en un proceso que se conoce como "fabricación aditiva Las impresoras 3D están cambiando las pautas de producción y consumo de objetos tanto a nivel personal como industrial, pues permiten diseñar y armar desde prototipos industriales hasta prótesis dentales o réplicas de arte. La impresión 3D es un grupo de tecnologías de fabricación por adición donde un objeto tridimensional es creado mediante la superposición de capas sucesivas de material. Las impresoras 3D son por lo general más rápidas, más baratas y más fáciles de usar que otras tecnologías de fabricación por adición, aunque como cualquier proceso industrial, estarán sometidas a un compromiso entre su precio de adquisición y la tolerancia en las medidas de los objetos producidos. Las impresoras 3D ofrecen a los desarrolladores de producto, la capacidad para imprimir partes y montajes hechos de diferentes materiales con diferentes propiedades físicas y mecánicas, a menudo con un simple proceso de montaje. Las tecnologías avanzadas de impresión 3D, pueden incluso ofrecer modelos que pueden servir como prototipos de producto. DEL USO SOCIAL AL CONSUMISMO Son esas impresoras, de coste y calidad variables, que hoy en día tenemos a mano. Algunos, por gusto, por independencia, curiosidad o por motivos educativos, deciden construir su propia Reprap de la cual existe una multitud de versiones. Es el caso por ejemplo de los miembros de la comunidad española Clone Wars que comparten sus experiencias y conocimientos y reúnen más de 100 impresoras. Otros prefieren adquirir una impresora en kit o ya montada, open source o cerrada, producidas por las numerosas empresas ubicadas en el mundo entero: una de las más famosas es la norteamericana Makerbot Industries. Pero también se lanzan proyectos empresariales vinculados a la impresión 3D en España como Reprap BCN, Reclone3d, LEAPto3D, BCNDynamics, Ultra-lab, en Argentina como KikaiLabs o en Brazil como Metamáquina. Usuarios-productores particularmente activos contribuyen al desarrollo de la tecnología como Josef Prusa, Richrap, Tony Buser, Watsdesign o en España, Obijuan. Poco a poco el sector se configura, las opciones se multiplican, la oferta se enriquece, el conocimiento aumenta, las herramientas se afinan, un ecosistema surge. Empujada por las circunstancias, la impresión industrial sale de su campo de acción colaborando con otros sectores, como la arquitectura o la moda, y empieza a dirigirse a la sociedad proponiendo servicios de impresión 3D bajo demanda e intentando lanzar líneas de impresoras personales. FUNCIONAMIENTO Y USOS Hoy en día, es perfectamente posible tener una impresora 3D en su casa o en su oficina para prototipar, crear un objeto, personalizarlo o experimentar. La mayoría de las impresoras personales imprimen en plástico, depositando capa por capa el material, aunque numerosas personas hayan adaptado sus máquinas para imprimir con comestibles como el chef Paco Morales y el diseñador Jose R. Tramoyeres, en cerámica, en arcilla, e incluso existe filamento de madera y otro de nylon. Arquitectos, diseñadores, ingenieros, artistas, personas interesadas, eligen la impresión 3D para crear prototipos, maquetas, probar diseños, objetos, productos, crear obras, piezas adaptables o inéditas. Y eso no tiene nada de ciencia ficción, pero tampoco es magia: a partir de un modelo 3D, se generan unas coordenadas que la impresora sigue para depositar el material fundido. Una serie de parámetros se deben de tomar en cuenta para realizar una impresión exitosa. El operador tiene que conocer los límites físicos y mecánicos de la máquina. ¿QUÉ FUTURO TIENEN LAS IMPRESORAS 3D? Aunque el concepto de impresora 3D ya tiene su origen en los años 80 actualmente está cogiendo cada vez más y más fuerza y pronto podría ya utilizarse en multitud de industrias. El futuro de las impresoras 3D es prometedor y a partir del año 2014 empezaremos a estar más familiarizados con ellas y también es posible que podamos hacernos con una a un precio razonable. ¿Hemos llegado ya hasta este punto? Si, esa es la realidad, los humanos ya podemos hacer estas cosas que hasta ahora nos parecían de ciencia ficción! Podemos decir ya que estamos siendo testigos de la 3º Revolución Industrial de nuestra historia por ésta y muchas otras tecnologías. MARCO LEGAL Aparece en los diarios de prensa general y especializada con mucha asiduidad artículos y noticias relativas a la impresión 3D. Desde la construcción de un arma, cuyo proceso resultó muy sencillo ya que sólo era necesario descargarse los planos y realizar una pequeña modificación de los mismos e imprimirlos, hasta la fabricación de órganos y tejidos humanos a partir de un modelo tridimensional creado por ordenador, pasando por los objetos más diversos como soportes para el móvil, calzado, bisutería, tuercas y tornillos, etc. Este sistema de impresión permite a quién las utiliza imprimir productos, o partes de éstos, simplemente utilizando un procedimiento informático, a través de un software, y un medio mecánico como es el periférico que realiza la impresión, todo ello mediante la obtención de un archivo de diseño tridimensional tipo CAD. Ello se puede realizar ya desde el propio domicilio del usuario si dispone de una impresora 3D o bien remitir dicho archivo a una compañía de servicios de impresión como Shapeways La realidad próxima es que esta impresión se está desarrollando para la creación rápida de prototipos, al reducir en una parte importante el ciclo del mismo así como sus costes, y la producción de una amplia gama de productos terminados. Incluso, a pesar de parecer que la impresión en materiales compuestos puede quedar lejos en el horizonte próximo, lo cierto es que existen técnicas de desarrollo que permiten fabricar casi cualquier objeto físico como puede ser el ejemplo del MIT que a través de su departamento CSAIL (Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory) trabaja en un proyecto que permite fabricar carcasas para robots, o como la tecnología láser para la creación de material sólido mediante la aplicación de una resina líquida para productos relacionados con la nanotecnología y aplicaciones médicas. La cuestión que debe suscitarse es cuál será el devenir de los derechos de propiedad intelectual e, incluso industrial, ante esta imparable realidad, en la cuál cualquiera desde cualquier lugar del mundo podrá imprimir en tres dimensiones productos sometidos a esta protección y cómo se debe o se puede regular las autorizaciones o licencias de los titulares de los mismos. Igualmente las ventajas tecnológicas son tantas que tendrá un efecto aún desconocido en la industria y en la manufactura por el impacto de la reducción de costo y tiempo de fabricación de los productos. Así es que todos estos acontecimientos traerán toda una serie de cuestiones en torno a la propiedad intelectual que se deberían tener en cuenta y que pasan desde la descarga de modelos en 3D, ámbito de la propiedad intelectual, hasta la marca tridimensional, en su aspecto de propiedad industrial, pasando por el derecho a la imagen en el caso de la impresión de figuras del cuerpo humano. O qué ocurre en los casos de las impresoras de ámbito doméstico en relación con el derecho a la copia privada o cuál es o debe ser su límite. Evidentemente un artículo de impresión 3D para uso personal no infringe los derechos de diseño o patentes registradas o no registradas si tal uso es privado y no comercial, otra cuestión es si el artículo copiado tiene una marca, o encarna una forma que está protegida como marca, la copia de ésta puede no constituir infracción ya no implica su uso en el “tráfico económico”. Diferente es que dicho artículo se ofrezca para la venta, y en ese caso, es plausible que pueda constituir una infracción de marca, del diseño o de la patente. Lo fundamental es, como se dijo anteriormente, la facilidad de la copia y la distribución instantánea de los archivos de diseño a través de Internet, que después pueden ser impresos en cualquier lugar del mundo, significa una amenaza real a la falsificación sin precedentes a todo lo conocido hasta ahora, incluso la personalización de éstos, pondrá en dificultades prácticas a los titulares de estos derechos a la hora de velar por sus intereses y protegerse de ataques a dicha propiedad, fundamentalmente en aspectos como el merchandising. MARCO AMBIENTAL Las impresoras 3D pueden ofrecer diversas ventajas ambientales. Al reproducir objetos según las necesidades concretas de los usuarios, se reduce la producción en masa y, con ello, la sobreexplotación de materias primas y la generación de residuos. The Economist habla de una "Tercera Revolución Industrial" impulsada por estos aparatos. Según este semanario británico, el actual modelo deslocalizado de producir en otros países a gran escala podría dar paso a un sistema de producción local de calidad, a pequeña escala y a medida. Sin necesidad de un nuevo cambio de modelo, el diseño y la producción industrial pueden reducir su impacto ambiental. Los prototipos se pueden imprimir en poco tiempo sin esperar meses y acertar mejor con el producto final, se pueden utilizar menos procesos y recursos, hacer productos más ligeros y modulares, realizar lotes a demanda sin acumular stocks que luego puede que acaben en la basura, etc. El impacto ambiental del transporte de mercancías y productos también se reduce. Los productos se pueden fabricar de manera local, en especial las partes o recambios del mismo, de manera que no se tienen que encargar a fabricantes lejanos. La obsolescencia prematura de los aparatos, sea programada o no, tiene a un enemigo en las impresoras 3D. Los productos pueden durar más si se les sustituye las piezas estropeadas y ya no hace falta comprar un producto nuevo porque el fabricante ha dejado de hacer recambios o porque conseguirlos es muy complicado. Reparar, la cuarta erre del ecologismo, es una acción que cobra cada vez más fuerza de la mano de movimientos sociales y sostenibles como los maker o los fixer. El ecodiseño de los bienes de consumo, pensado para reducir su impacto ambiental en todas las fases productivas, podría aprovechar los sistemas de diseño 3D de manera que puedan realizarse productos más sostenibles. Las ventajas ecológicas y económicas del consumo colaborativo se pueden adaptar a la impresión 3D. Los modelos, diseñados en un ordenador, pueden compartirse con otros usuarios. De esta forma, es posible generalizarlos, mejorarlos y adaptarlos e, incluso, imprimirlos sin necesidad de conocimientos avanzados de creación 3D. Las impresoras 3D tienen también una serie de desafíos a los que tendrán que enfrentarse. Eduardo Paz, consultor especializado en marketing y tecnología, enumera varios de ellos, entre los que se encuentran los aspectos ambientales. Las impresoras 3D hacen un "alto consumo de energía", utilizan materiales para la fabricación de objetos con un "alto nivel contaminante" y generan una "dependencia de materiales plásticos" y, por tanto, de los combustibles fósiles y su impacto ambiental. Además, la futura generalización de estos aparatos podría suponer la fabricación de productos inútiles que generen más residuos. Sus defensores señalan que trabajan para hacer frente a estos desafíos, con el desarrollo de modelos más eficientes en el consumo de energía y recursos o la utilización de materiales biodegradables, reutilizables y reciclables. HIPOTESIS 1. Se reducirán os altos costos de productos que posiblemente algunas empresas o locales nuevos no puedan pagar mediante la fabricación aditiva esta nuevo método que de las impresiones 3D para crear disintos tipos de piezas según la necesidad la regla es que si puedes imaginarlo puedes crearlo mediante el uso de esta tecnología 2. Ayuda en los costos también ayudara a incremente las ventajas que ofrecen esta nueva tendencia en si podrá ayudar a la versatilidad será flexible y de prototipado rápido abrirá una nuevo panorama en otras palabras una nueva industria o sector surgirá aun que se verán afectada otras industrias o locales y aun será posible descubrir aplicaciones multiples que la gente aun no ha pensado. 3. Las ventajas en si serian: 1.- La complejidad es gratis: En la fabricación tradicional, cuanto mas complejo es un objeto mas cara será su producción. Sin embargo, en la impresión 3d la complejidad del diseño no afecta a su coste de impresión, que dependerá únicamente del volumen de dicho objeto y por tanto de la cantidad de material utilizado. Esto juega a favor de los objetos complejos, ya que cuanto mas complejo sea el objeto, mas ventaja supondrá usar la impresión 3d frente a la fabricación tradicional. 2.- Las variaciones son gratis: Otra de las ventajas de la impresión 3d sobre la fabricación tradicional es la variación del objeto a fabricar: En la fabricación tradicional, modificar el diseño del objeto a producir supone en la mayoría de los casos asumir enormes costes de producción, tales como reprogramar las máquinas que fabrican los objetos, paralizar la producción hasta adaptarla, modificación de moldes, y en resumen, los costes propios de volver a adaptar la linea de producción al nuevo diseño. Usando la impresión 3d como forma de producción, modificar el diseño del producto no supondrá mas coste que el tiempo que dediquemos al nuevo diseño. Además, la variación del diseño suele requerir de adaptaciones cuando este se lleva a la producción, lo que puede dar lugar a deshechar cientos o miles de unidades. Esto no ocurre con la impresión 3d. 3.- No es necesario el ensamblaje de piezas: La fabricación tradicional se basa en la fabricación de todas las piezas que conforman un producto, de la forma mas simple y barata posible, para luego ensamblar dichas piezas. Sin embargo, una de las ventajas de la impresión 3d es que las impresoras 3d actuales permiten crear objetos ya ensamblados, evitando el proceso de montaje posterior, que suele suponer un importante gasto de personal y de tiempo de fabricación, que a su vez afecta al tiempo de producción de los objetos. Esto disminuye o disminuirá considerablemente el tamaño y complejidad de las cadenas de montaje en su concepción actual, lo que nos lleva al siguiente principio. 4.- No hace falta estocaje: Un producto puede ser impreso bajo demanda, sin necesidad de contar con estocaje. Esto es potenciado además por la simplicidad de la producción mencionada en el principio anterior: una menor complejidad del montaje supone menos tiempo de producción, entre otras cosas debido a que no hace falta ensamblar las piezas como en la fabricación tradicional. Además, no es necesario fabricar miles de unidades para recuperar la inversión que supone poner en carga la cadena de producción, así que otra de ventajas de la impresión 3d es que podemos fabricar los productos según son adquiridos por los clientes. Eso abre la puerta a todo tipo de micronegocios, pues ya no es necesaria una gran inversión inicial. 5- Diseño, formas y texturas sin límite: La fabricación tradicional está limitada por los materiales que usa. Por ejemplo, la objetos fabricados con madera están limitados por la forma y grosor del tronco del que se extrae. Del mismo modo, la complejidad de los diseños están limitados por la capacidad de los instrumentos ý máquinas que se usan para obtenerlos. Muchas veces, un diseño inicial tiene que ser desechado por las limitaciones o costes de las máquinas que luego tienen que hacerlo realidad. Ésta es una de las mayores ventajas de la impresión 3d, ya que supone no ya competir en mejores condiciones, sino incluso poder actutar en campos vetados a la fabricación tradicional. 6.- No son necesarias habilidades especiales: La fabricación tradicional y artesanal necesida de ciertas habilidades que en ocasiones requiere años de práctica, como por ejemplo en la artesanía. La impresión 3d borra de la ecuación esta limitación, permitiéndo a cualquiera que sepa manejar un software de diseño acerarse a la producción de objetos en igualdad de condiciones, y por tanto, una vez mas, abriendo la puerta a nuevos emprendedores. Por tanto, otra de las ventajas de la impresión 3d es que todos podemos fabricar cosas. 7.- Fabricación compacta y portatil. En la fabricación tradicional, las máquinas usadas para fabricar objetos pesan cientos o miles de kilos, y producen objetos diminutos en comparación con el tamaño de dichas máquinas. Sin embargo, las impresoras 3d fabrican objetos casi tan grandes como ellas mismas, lo que implica menos necesidad de espacio para montar un taller de fabricación, y a su vez, permite una total movilidad de éste. Podemos decir por tanto que otra de las ventajas de la impresión 3d es la ratio de capacidad de producción por metro cuadrado, que se optimiza hasta niveles inalcanzables para la fabricación tradicional. 8.- Menos material de deshecho. La fabricación de objetos metálicos mediante sistemas tradicionales desperdicia, según los autores, hasta un 90% del material. Esta tasa de desperdicio es ínfima en las impresoras 3d que imprimen en metal. Esto es aplicable casi a todos los materiales. Esto afecta a los costes, y también al medioambiente. 9.- Infinitos materiales de fabricación La fabricación tradicional usa técnicas agresivas que cortan, comprimen, funden, estiran, perforan materiales, etc. Eso limita mucho la posibilidad de mezclar materiales. Sin embargo, una de las ventajas de la impresión 3d es la posibilidad de mezclar materiales en distintas proporciones, lo que implica poder imprimir en infinitas variaciones de materiales mezclados entre sí. Poco a poco irán apareciendo nuevos materiales de impresión, y nuevas mezclas de materiales existentes, abriendo enormemente el abanico de materiales con los que producir objetos. 10.- Capacidad de crear replicas exactas La tecnología de escaneado combinada con una impresora 3d nos permitirá, cada vez mas, replicar a la perfección objetos existentes. Esta posibilidad no existe con la fabricación tradicional, pues replicar un objeto a la perfección está limitado por el propio proceso de fabricación y la maquinaria utilizada. DESARROLLO DEL TEMA CENTRAL El diseño en 3D Para poder imprimir un modelo tridimensional dibujado previamente, debemos tener en cuenta determinados factores que nos afectarán a la hora de la impresión. Estos factores nos condicionarán hasta tal punto que en muchos casos nos veremos obligados a cambiar nuestra forma de diseñar con el fin de obtener un modelo impreso aceptable. Veremos en este capítulo los más importantes a tener en cuenta. En primer lugar, podemos partir de plantas realizadas en 2D las cuales modificamos para poder extrusionarlas y así obtener la tercera dimensión, o bien realizar nuestros diseños directamente en un programa de tres dimensiones. En cualquiera de las dos opciones planteadas, será muy importante tener en cuenta el tipo de archivo que necesitamos obtener, puesto que no todos los archivos generados en 3D son legibles por los softwares de las impresoras 3D. Nuestro siguiente paso será imprimir los diseños creados. Para ello se hace necesario conocer el sistema general de trabajo de la impresora que vamos a utilizar. La impresión 3D o impresión por adición (additive printing o additive manufacturing) es un método de fabricación de objetos tridimensionales que se realiza mediante la adición sucesiva de capas de material. Para ello, una vez elaborado un archivo de dibujo tridimensional, los datos de ese archivo se transfieren a un software denominado "slicer" (rebanador en inglés), el cual se encarga de descomponer el objeto en multitud de capas (de espesores que rondan entre los 0,05 y 0,3 mm) y generar un nuevo archivo denominado ".gcode", que ahora sí puede interpretar la impresora e imprimir capa a capa nuestro objeto. Otro aspecto a tener en cuenta es que, al igual que el formato de un plano condiciona muchas de sus características (escalas, grafiados, textos, etc), la impresora que vayamos a utilizar nos condiciona muchas de las características de nuestro objeto, principalmente: · Solo podremos imprimir objetos de un determinado tamaño. Para ello debemos ajustar nuestra escala para adaptarnos al tamaño de la impresora, e incluso podemos imprimir los objetos por partes y unirlos una vez estén impresos. · Los distintos tipos de filamentos o plásticos existentes en el mercado darán origen a diferentes formas de trabajo para obtener calidades similares en nuestras piezas. · Una impresora de adición necesita siempre de una base sobre la que depositar el filamento. Esta base puede ser al principio la plataforma o cama de impresión, y después las sucesivas capas que se van colocando. De esta forma, los ángulos verticales imprimibles deben ser superiores a 45º sobre la horizontal, o utilizar soportes temporales (conformados por el "slicer" o diseñados por el usuario) que habrá que retirar una vez realizada la pieza. De esta forma la pieza impresa saldrá de la impresora con una base que será necesario quitar para obtener la pieza tal y como la hemos concebido. Nótese en este caso la dificultad que tendrá retirar todo el material de soporte, siendo muy probable que al cortar el anterior nos llevemos también las patas del pájaro. Las impresoras 3D suelen hacer mejor las curvas que los ángulos réctos en el plano horizontal, debido al extrusor de la máquina y el vertido de las capas de plástico. Esto será de mayor o menor importancia en función del nivel de acabado solicitado para nuestra pieza. Para solucionarlo, podemos suavizar los ángulos de encuentro entre aristas y/o planos, creando pequeñas curvas de empalme que sustituyan a los ángulos rectos. La impresora 3D a la cual tuve acceso es una impresora 3D de adición o de inyección de polímeros, en la que el propio material se añade por capas, es decir, el extrusor de la máquina derrite el plástico para imprimir el objeto capa a capa hasta conseguir el objeto completo que ha sido diseñado previamente con un programa de CAD. En concreto, se trata de una impresora 3D de hardware libre: la Tumaker Voladora 2. Esta máquina, al igual que muchas de las rep-rap que podemos comprar actualmente, calienta el plástico utilizado (en concreto el ABS se calienta hasta alcanzar los 240 grados centígrados) y de esta forma lo va depositando en las capas mencionadas, cada una de ellas de la forma calculada en el archivo "gCode". Una vez en el exterior el plástico se enfría rapidamente solidificándose con la capa anterior vertida, hasta que se obtiene finalmente la pieza deseada. Con esta impresora utilizaremos, posteriormente al "slicer" o "rebanador", un "host" o software de comunicación con la impresora. Este programa interpreta el "gCode" generado con el "slicer" y dá las ordenes pertinentes al extrusor. Además, este programa nos permite controlar los movimientos del cabezal o extrusor y su temperatura, así como la temperatura y altura de la plataforma de impresión. Con la utilización de estos dos programas una vez realizado el diseño, conseguiremos un mejor funcionamiento de la impresora y por tanto un mejor acabado final de la pieza. En el siguiente apartadol realizaremos el diseño inicial de esta forma (en 2D), para así comprobar si es útil la importación del archivo generado o puede ser más práctico realizar el dibujo directamente en tres dimensiones. Diferentes softwares para el diseño en 3D. Existen actualmente en el mercado numerosos programas que nos permiten el diseño en tres dimensiones, muchos de ellos enfocados inicialmente al mundo de la animación por ordenador o los videojuegos, que han sido adaptados por los usuarios al uso que cada uno necesitara. Este es el caso de programas conocidos por todos como el Maya, el 3D Studio Max, etc. Sin embargo, otros softwares han sido directamente ideados para el diseño arquitectónico. Es el caso de Rhinoceros 3D (de la empresa norteamericana Autodesk) y de los últimamente tan nombrados ArchiCAD (de la empresa húngara Graphisoft), AllPlan (de la empresa alemana Nemetschek) y Revit (comprado por Autodesk en el 2002). Veamos algo más de las características de estos tres últimos softwares: ·ArchiCAD tiene el privilegio de ser el primer software con tecnología BIM (Building Information Modeling -o Modelado de información de construcción o edificación-). BIM es el proceso de generación y gestión de datos del edificio durante su ciclo de vida utilizando software dinámico de modelado de edificios en tres dimensiones y en tiempo real, para disminuir la pérdida de tiempo y recursos en el diseño y construcción. Este proceso produce el modelo de información del edificio (también abreviado BIM), que abarca la geometría del edificio, las relaciones espaciales, la información geográfica, así como las cantidades y las propiedades de sus componentes. Posterior a éste, aparece en mercado el programa AllPlan, el cual, contando también con tecnología BIM, cuenta con numerosas ventajas como son: muy buena coordinación con otros programas (como Cype, Presto, Adobe, etc.); agilidad en el trabajo con el modelo en 3D asistencia técnica desde el comienzo de la compra del software; etc. Revit fué el último en incorporarse al mercado. Siendo también un software de BIM, parte con la ventaja inicial de la gran aceptación e implantación que el programa AutoCAD, de la misma empresa Autodesk, tiene actualmente. Con este software todo el proyecto se realiza directamente en 3D, y de ahí se generarán los planos en 2D. Como podemos ver, estos programas realizan lo que es conocido como Simulación 4D ySimulación 5D : no solo dibujan en 3D, sino que añaden la cuarta y la quinta dimensión al diseño: el tiempo y el precio. Esto lo hacen vinculando la información geométrica del programa de tres dimensiones con una carta de programación (por ejemplo, un Gantt), y agregando a todo el proceso la dimensión de costos. De esta forma, el hecho de modificar una viga o un tipo de puerta del proyecto, quedará también reflejado en los documentos relacionados con el tiempo de ejecución de obra y en el presupuesto del proyecto, variándolos de forma automática. Sin embargo, a pesar de todas sus bondades, siguen contando con un gran handicap: el necesario pago de licencias para su uso por estudiantes y profesores. Es por eso que en este proyecto se ha optado por el uso de software libre, el cual nos permite trabajar en tres dimensiones en las aulas, de forma eficaz y sin saltarnos ninguna norma. El diseño tridimensional de elementos constructivos no deja de ser una herramienta más a la hora de definirlos. Sin embargo, aporta por si mismo (sin necesidad de convinarlo con los mencionados aspectos de tiempo y costos) una serie de ventajas muy interesantes: 1. Obtenemos un diseño mucho más visual de los elementos, lo cual adquiere todavía mas relevancia en el caso de estudiantes que se inician en el mundo de la arquitectura, permitiéndoles obtener un mayor entendimiento de todo el diseño y por tanto del funcionamiento de todos los elementos constructivos. 2. A partir de un modelo tridimensional, podemos obtener de una forma más sencilla todas las vistas (planta, alzados y perfiles), dotándonos así de una herramienta muy útil en las clases de iniciación al dibujo diédrico. 3. A mi entender, cualquier alumno que comprenda el funcionamiento de un programa de diseño en 3D y conozca las órdenes básicas para trabajar con él, será capaz de enfrentarse por si sólo al conocimiento de otros programas de diseño en 3D que pueda necesitar en su futura vida profesional. Dentro del conjunto de 'programas libres', encontramos los de código abierto. Su principal ventaja es su rápido desarrollo y mejora. El hecho de que haya toda una comunidad de usuarios dispuesta al uso de una herramienta y su mejora es dificilmente equiparable al trabajo de un solo equipo de informáticos de una empresa, por muy grande y potente que ésta sea. Uno de estos programas es el Blender, muy conocido en el mundo de la animación 3D y cada más utilizado en el mundo del diseño arquitectónico. Blender es un modelador tridimensional que permite el renderizado (generación de una imagen o video a partir de un modelo 3D) y el texturizado (cubrir con diferentes texturas o capas superficiales un objeto virtual, para aumentar la sensación tridimensional que nos aporta y también para simular sus materiales). Las múltiples opciones que permite para la infoarquitectura (generación por ordenador de imágenes o video de un proyecto arquitectónico) , también conocida como arquitectura en 3D o arquitectura del modelado, ha hecho que en los últimos años su uso se haya extendido a sectores como el del urbanismo y el de la arquitectura. Existen multitud de recursos en la web para la instalación y el uso del Blender. Cabe destacar la serie de tutoriales que la Universidad de Alicante, a través de su canal de Youtube "Virtualización del Patrimonio", ha publicado. Además, como recurso de aprendizaje en papel, encontramos el libro "Manual de Modelado y Animación con Blender", de Pablo Suau, profesor de la asignatura de Infografía (perteneciente a la titulación de 'Ingeniería en Sonido e Imagen' de la Universidad de Alicante). Otros programas libres, aunque ya no de código abierto, nos van a permitir el trabajo en 3D y la posterior impresión del modelo generado. Estos son, entre otros, el 123D (de Autodesk) o el Sketch-Up (de Google), los cuales se pueden descargar de forma gratuita en las webs de las empresas que los han creado. Para el desarrollo de este proyecto se ha utilizado Sketch-Up. Este programa se lanza de forma gratuita para estudiantes y profesores, con la idea de promocionarlo para que el usuario finalmente compre su versión profesional de pago (Sketch-Up Pro) una vez que pase a su uso en despachos de arquitectura. Su principal ventaja es su facilidad de uso, así como su capacidad de importación y exportación de diferentes tipos de archivos. Tanto es así, que para la exportación de dibujos 2D desde AutoCAD a Blender, son muchos los profesionales que utilizan el Sketch-Up. El fácil manejo se debe principalmente a que tiene una cantidad de herramientas y opciones reducidas, en comparación con otros programas de diseño en 3D. A este aspecto, que puede sernos ventajoso inicialmente, se le unen una serie de detalles muy interesantes a la hora de trabajar por primera vez en tres dimensiones: · Se aportan dibujados en el espacio de trabajo los tres ejes tridimensionales, cada uno de un color. Cuando dibujamos una línea el programa, en función de la dirección de movimiento del ratón, entiende que buscas paralelismo a uno otro eje, indicándotelo para que puedas confirmarlo en caso de que así sea. · Aparece también reflejada la línea del horizonte, aspecto muy útil para la comprensión inicial de los modelos generados y sobre todo para no perdernos en las perspectivas una vez que hemos girado las piezas. · Como en muchos otros programas de 3D, todas las líneas coplanarias que al dibujarse se encuentren formando polígonos cerrados, generan efectivamente un área o superficie. Así pues, si en una superficie ya creada dibujamos otras líneas que corten al perímetro inicial, se crearán nuevas áreas unidas a la anterior. · Es compatible con muchos otros programas de diseño, permitiendo generar modelos 3D de muchos tipos que serán reconocibles por la mayoría de las impresoras 3D del mercado. El principal inconveniente de este programa parece ser su simplicidad, probablemente ya corregida en la versión profesional. Antes de la decisión final de trabajo con este programa (el Sketch-up), se desarrolló el mismo detalle constructivo (una cimentación) con el programa Blender. El resultado fué muy positivo, dándo el Blender muchas más opciones para la resolución de los mismos problemas. PRINCIPIOS GENERALES El aditivo de fabricación se lleva a planos virtuales de diseño asistido por ordenador(CAD) o el software de modelado y animación, se encuentran en secciones digitales para la máquina para utilizar sucesivamente como una guía para la impresión. Dependiendo de la máquina que se utiliza, el material o un material de unión se deposita sobre el lecho de construcción o de la plataforma hasta que el material de estratificación / aglutinante es completa y el modelo 3D final ha sido "impreso". Una interfaz estándar de datos entre el software CAD y de las máquinas es el formato de archivo STL. Un archivo STL se aproxima a la forma de una pieza o un ensamblaje utilizando facetas triangulares. Facetas más pequeñas producen una superficie de mayor calidad. CAPA es un formato de archivo de entrada analizador generado, y VRML (WRL) o archivos a menudo se utilizan como entrada para las tecnologías de impresión 3D que son capaces de imprimir a todo color. METODOS DE IMPRESIÓN 3D Un gran número de tecnologías en competencia están disponibles para la impresión 3D; sus principales diferencias se encuentran en la forma en la que las diferentes capas son usadas para crear piezas. Algunos métodos usan fundido o ablandamiento del material para producir las capas, por ejemplo sinterizado de láser selectivo (SLS) y modelado por deposición fundida (FDM), mientras que otros depositan materiales líquidos que son curados con diferentes tecnologías. En el caso de manufactura de objetos laminados, delgadas capas son cortadas para ser moldeadas y unidas juntas. Cada método tiene sus propias ventajas e inconvenientes; por ello, algunas compañías ofrecen elegir entre polvos y polímero como material de fabricación de la pieza según sean las prioridades del cliente. Generalmente las consideraciones principales son velocidad, coste del prototipo impreso, coste de la impresora 3D, elección y coste de materiales, así como capacidad para elegir el color. Tipo Tecnologías Materiales Extrusión Modelado por deposición fundida (FDM) Termoplásticos (por ejemplo PLA, ABS), HDPE, metales eutécticos, materiales comestibles Hilado Fabricación por haz de electrones (EBF3) Casi cualquier aleación Granulado Sinterizado directo de metal por láser (DMLS) Casi cualquier aleación Fusión por haz de electrones (EBM) Aleaciones de titanio Sinterizado selectivo por calor (SHS) Polvo termoplástico Sinterizado selectivo por láser (SLS) Termoplásticos, polvos metálicos, polvos cerámicos Proyección aglutinante (DSPC) Yeso Laminado Laminado de capas (LOM) Papel, papel de aluminio, capa de plástico Fotoquímicos Estereolitografía (SLA) fotopolímero Impresión por inyección Un método de impresión 3D consiste en el sistema de impresión por inyección. La impresora crea el modelo de capa en capa esparciendo una capa de polvo (plástico o resinas) e inyecta un coaligante por inyección en la sección de la pieza. El proceso es repetido hasta que todas las capas han sido impresas. Esta tecnología es la única que permite la impresión de prototipos a todo color, permitiendo, además, extraplanos o salientes. P Y V *13* Modelado por deposición de fundente El modelado por deposición de fundente, una tecnología desarrollada por Stratasys6 que es usada en prototipado rápido tradicional, usa una tobera para depositar polímero fundido sobre una estructura soporte, capa a capa. Otro enfoque es fundir de manera selectiva el medio de impresión sobre una base granular. En esta variación el medio no fundido sirve de soporte para los resaltes y paredes delgadas de la pieza a producir, reduciendo así la necesidad de soportes auxiliares temporales. Típicamente un láser es usado para sinterizar el medio y formar el sólido. Ejemplos de esto son el sinterizado selectivo por láser y el sinterizado directo de metal por láser (DMLS) usando metales. Una última variación consiste en usar una resina sintética que se solidifica usando la luz de LEDs. Fotopolimerización Estereolitografía La tecnología SLA utiliza resinas líquidas fotopoliméricas que se solidifican cuando son expuestas a la luz emitida por un láser ultravioleta. De esta forma se van creando capas superpuestas de resina sólida que van creando el objeto. Fotopolimerización por luz ultravioleta En la fotopolimerización por luz ultravioleta, SGC, un recipiente de polímero líquido es expuesto a la luz de un proyector DLP bajo condiciones controladas. El polímero líquido expuesto endurece; la placa de montaje se mueve hacia abajo en incrementos pequeños y el polímero es expuesto de nuevo a la luz. El proceso se repite hasta que el modelo es construido. El polímero líquido restante es entonces extraído del recipiente, dejando únicamente el modelo sólido. El ZBuilder Ultra es un ejemplo de sistema DLP de prototipado rápido. Fotopolimerización por absorción de fotones Características ultra pequeñas pueden ser conseguidas a través de la técnica de la microfabricación 3D, mediante el mecanismo de fotopolimerización por absorción de fotones. En esta variación, el objeto 3D deseado es trazado en un bloque de gel con un láser. El gel es curado y se solidifica sólo en los lugares en donde el láser es enfocado debido a la nolinealidad óptica de la fotoexcitación; después de la etapa de láser, el gel restante es lavado. Esta técnica ofrece tamaños de menos de 100 nm siendo fácilmente fabricables tanto en estructuras complejas de partes móviles como en fijas. Impresión con hielo Recientemente se han desarrollado técnicas que por medio de un enfriamiento controlado de agua tratada, son capaces de producir una auténtica impresión 3D con hielo como material.9 Aunque es una tecnología en desarrollo y sus ventajas a largo plazo están aún por ver, el ahorro de material específico para llevar a cabo la impresión, independientemente del coste del proceso, parece una de ellas. Acabados A diferencia de la estereolitografía, la impresión 3D por inyección está optimizada para obtener velocidad, coste bajo y facilidad de uso, todo lo cual hace de ella una técnica muy útil para etapas tempranas de diseño en ingeniería. No son necesarios materiales químicos tóxicos como los usados en estereolitografía y mínimo trabajo de post-impresión es requerido para el acabado; la única necesidad es el soplado del polvo sobrante después del proceso de impresión, o la retirada de material de soporte en otras técnicas. Las impresiones de polvo coaligado pueden ser endurecidas en el futuro por cera, o por impregnación de polímeto termoplástico. Las piezas FDM pueden ser endurecidas mediante filtrado de otro metal en la pieza. Resolución y tolerancia de impresión Los conceptos de resolución y tolerancia de impresión aparecen a menudo mezclados, superpuestos e incluso intercambiados. Algunos fabricantes prefieren usar un término que englobe a ambos conceptos, tal como precisión dimensional. Parece más razonable referir la resolución de una impresora 3D a la capacidad de posicionamiento o de discernimiento de distancias antes de la inyección o depósito de material, mientras que la tolerancia de impresión dependerá, además, del proceso de solidificación o de acabado. Una buena prueba de que pueden ser tomados como conceptos diferentes es que a menudo la tolerancia de impresión suele presentar valores más desfavorables que la resolución. En cualquier caso, la resolución puede estar dada en espesor de capa, mientras que en el plano X-Y, puede estarlo por puntos por pulgada (ppp). El espesor típico de capa es del orden de 100 micras (0,1 mm), aunque algunas máquinas tales como el Objet Connex imprimen capas tan delgadas como 16 micras. La resolución X-Y es comparable a la de las impresoras láser convencionales. En el caso de que el proceso las use, las partículas son del orden de 50 a 100 micras (0,05-0,1 mm) de diámetro. La tolerancia final de pieza dependerá profundamente, además de la resolución antes descrita, de la tecnología y del material utilizados. Es uno de los parámetros más importantes en la elección de proceso de impresión y del dispositivo, ya que no sólo determinará la propia tolerancia dimensional de la pieza, sino si, en caso de espesores pequeños, dicha pieza es realizable o no. El límite actual de tolerancia para dispositivos DIY o de bajo coste están en torno a 0,1 - 0,2 mm. Para trabajos de más demanda dimensional, algunos fabricantes son capaces de garantizar tolerancias del orden de las decenas de micras. APLICACIONES DE IMPRESORAS 3D Medicina La impresión 3D es un tema fascinante en el que ya nos encontramos “tomando la ola” para integrarla a la vida diaria. Es común que haya noticias de nuevos avances, aplicaciones y tipos de impresoras que comienzan a ser accesibles para todos los bolsillos. En el caso de la Medicina, la impresión 3D, también se beneficia de los avances tecnológicos de esta peculiar forma de impresión. La Medicina también se beneficia del avance tecnológico de la impresión 3D Así pues, en la Medicina las aplicaciones de la impresión 3D se extiende cada vez más, alimentos impresos en 3D para personas con disfagia, fajas para la escoliosis por citar un par de ejemplos. Pero al revisar las demás incursiones de la impresión 3D en la Medicina encontré 3 grandes áreas, de las cuales hay ejemplos y estudios que se trabajan en este momento que bien vale la pena conocer. Modelos Hay casos en la Medicina que son complicados como el de tumores que se encuentran en lugares muy delicados en el cuerpo humano. La impresión 3D puede proporcionar un modelo exacto del área a operar y con esto los médicos pueden practicar con escalas reales, con mayor probabilidad de realizar con éxito las intervenciones. Es el caso de Marc, un pequeño niño en España que sus médicos y el apoyo de Fundación CIM de la Universidad Politécnica de Cataluña, fue capaz de diseñar una copia exacta del tumor y el área circundante con dos materiales distintos, de plástico duro para los vasos sanguíneos, riñón, y la columna vertebral y una resina blanda para el tumor en sí. El equipo de médicos practicó con esos modelos y el tumor de Marc pudo ser removido con éxito. Prótesis Las prótesis han potencializado su evolución con la impresión 3D, sin duda. Desde muletas mucho más anatómicas por la posibilidad de las impresiones curvas y adaptadas al tamaño adecuado. Cubiertas para prótesis que permiten el diseño personalizado. Prótesis de manos con movimientos más naturales e intuitivos a través de conjuntar impresión 3D, robótica y electrónica. Uno de los casos que más me impresionó es el del video siguiente del caso de Amanda Boxtel, que con la ayuda de nuevas tecnologías y la impresión 3D cambió la calidad de su vida significativamente. Ella había pasado más de 20 años en sillas de ruedas, así que ha de ser indescriptible contar con la tecnología que le devuelva la movilidad. Sin duda un gran caso. Organos El proceso emergente de la impresión 3D, que utiliza modelos digitales creados por computadora para crear objetos reales, produjo todo desde juguetes hasta joyería y comida. Sin embargo, pronto, las impresoras 3D podrán sacar algo mucho más complejo y controversial: los órganos humanos. Durante años, los investigadores médicos reproducen células humanas en laboratorios a mano para crear vasos sanguíneos, catéteres, tejido de la piel y otras partes corporales. Pero diseñar órganos completos, con sus estructuras celulares complicadas, es mucho más difícil. Aquí están las impresoras 3D, que debido a su proceso preciso puede reproducir los sistemas vasculares requeridos para hacer viables a los órganos. Los científicos ya utilizan las máquinas para imprimir tiras diminutas de tejido de órganos. Y aunque imprimir órganos humanos completos para trasplantes quirúrgicos todavía está a años de distancia, la tecnología se desarrolla rápidamente. "El proceso mecánico no es tan complicado. La parte complicada es la de los materiales, que son biológicos en naturaleza”, dijo Mike Titsch, editor en jefe de 3D Printer World, que cubre la industria. “No es como imprimir en 3D plástico o metal. El plástico no se muere si lo dejas en un estante al que le entra aire a temperatura abierta durante mucho tiempo”. La idea de imprimir un riñón o hígado humano en un laboratorio puede parecer incomprensible, incluso aterrador. Pero para muchos científicos en el área, la bioimpresión promete mucho. Los órganos impresos auténticos podrían utilizarse para pruebas de medicamentos o vacunas, liberar a los investigadores de métodos menos precisos como pruebas en animales o en modelos sintéticos. Luego está la esperanza de que las impresoras 3D en algún día puedan producir órganos muy necesitados para trasplantes. Entre más aumenta la esperanza de vida, nuestros órganos fallan más. En México alrededor de 18,170 personas están en espera de un transplante de órgano, 10,500 de ellos están en espera de un riñón según cifras del Centro Nacional de Transplantes. Un ‘área nueva y emocionante de la medicina’ La bioimpresión funciona así: los científicos cosechan células humanas de biopsias o células madre, para después permitir que se multipliquen en una placa de Petri, un recipiente redondo de cristal. La mezcla resultante, una clase de tinta biológica, se introduce a la impresora 3D, que a su vez es programada para acomodar diferentes tipos de células, junto con otros materiales, en figuras precisas de tres dimensiones. Doctores esperan que cuando esta pieza se introduzca al cuerpo, las células impresas 3D se integren a los tejidos existentes. El proceso ya está viendo algo de éxito. El año pasado, un niña de dos años en Illinois que nació sin tráquea recibió un sustituto hecho a partir de sus propias células madre. El gobierno de Estados Unidos ha financiado un proyecto “cuerpo en un chip” universitario que imprime muestras de tejidos que imitan las funciones del corazón, hígado, pulmones y otros órganos. Estas muestras se colocan en un microchip y conectados a un sustituto de sangre para mantener las células vivas, lo cual permite a los doctores hacer pruebas para tratamientos específicos y monitorear su efectividad. “Esta es una emocionante y nueva área en la medicina. Tiene el potencial para convertirse en un progreso muy importante”, dice el Dr. Jorge Rakela, una gastroenterólogo en la Mayo Clinic de Phoenix, Arizona, y miembro del comité asesor médico de la American Liver Foundation. “La impresión 3D nos permite acercarnos a lo que pasa en la vida real, donde se tienen múltiples capas de células”, dijo. Con los modelos actuales de 2D, “si creces más de una o dos capas, las células de abajo se empiezan a asfixiar por falta de oxígeno”. Para acelerar el desarrollo de los órganos bioimpresos, una fundación de Virginia que apoya la investigación de medicina regenerativa anunció en diciembre que la fundación que imprima un hígado funcional recibirá un premio de un millón de dólares. Un contendiente inicial para este premio es Organovo, una empresa de California dedicada a la bioimpresión de partes humanas para fines comerciales. Al utilizar células de tejidos y células madres que han sido donadas, Organovo se encuentra desarrollando lo que esperan serán modelos auténticos de órganos humanos, principalmente hígados, para análisis de drogas. La compañía ha impreso tiras de tejidos de hígados humanos en sus laboratorios, aunque siguen siendo muy pequeños: cuatro por cuatro por un milímetro. Cada tira toma alrededor de 45 minutos en imprimir, y toma otros dos días para que las células puedan crecer y madurar, dijo el CEO de Organovo, Keith Murphy. Después de este proceso, los modelos pueden vivir por alrededor de 40 días. De acuerdo con Murphy, Organovo también ha creado modelos para riñones, huesos, cartílago, músculo, vasos sanguíneos y tejidos de pulmones. “Básicamente, te permite construir tejidos de la misma manera en la que uno crea algo con legos”, dijo Murphy. “Así puedes poner las células correctas en los lugares indicados. No es como si las derramaras en un molde”. Glosario. Manufactura: Fundente: Acotaje: Extrusion: CAD: Referencias Williams, Holly (28/08/2011). «Object lesson: How the world of decorative art is being revolutionised by 3D printing». The Independent. Consultado el 15 de noviembre de 2011. Paolo Cignoni, Roberto Scopigno (June 2008), «Sampled 3D models for CH applications: A viable and enabling new medium or just a technological exercise?» (PDF), Association for Computing Machinery (ACM) Journal on Computing and Cultural Heritage. 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