Impresoras 3D: Una breve introducción. "Zortrax M200 3D printer" by Creative Tools is licensed under CC BY 2.0
Impresoras 3D: Una breve introducción. "Zortrax M200 3D printer" by Creative Tools is licensed under CC BY 2.0
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  • Categoría de la entrada:Historia Computadoras

Los mejores artistas luchan por mostrarnos cómo se ven los objetos del mundo real en todo su esplendor tridimensional (3D).

Aunque la mayoría de las veces eso no importa: Mirar una foto o un boceto nos da una idea suficientemente buena.

Pero si estás en el negocio de desarrollar nuevos productos y necesitas mostrárselos a tus clientes, para eso no existe nada mejor que tener un prototipo: Un modelo que puedas tocar, sostener y sentir.

El único problema es que los modelos tardan años en fabricarse a mano y las máquinas que pueden hacer “prototipos rápidos” cuestan una fortuna (hasta medio millón de dólares).

¡¡¡Hurra, entonces por las impresoras 3D!!! Que funcionan un poco como inyectores de tinta y construyen modelos 3D capa por capa, hasta 10 veces mayor velocidad y una quinta parte del costo.

Pero, ¿Cómo funcionan exactamente las impresoras 3D? ¡Vamos a verlo más de cerca!

Desde prototipos hechos a mano hasta prototipos rápidos

Antes de que existieran cosas como el diseño asistido por computadora (CAD) y los láseres, los modelos y prototipos se tallaban laboriosamente en madera o se pegaban entre sí a partir de pequeños trozos de cartón o plástico.

Esos modelos, podían tardar días o incluso semanas en fabricarse y por lo general, siempre han costado una fortuna.

Crear cambios o aplicar alteraciones es difícil y consumía mucho tiempo, especialmente si se estaba utilizando una empresa de fabricación de modelos externa, y eso podría disuadir a los diseñadores de realizar mejoras o aceptar comentarios de última hora.

Con la llegada de una mejor tecnología, una idea llamada prototipado rápido (RP) surgió durante la década de 1980 como una solución a este problema:

El prototipado rápido es significado de desarrollar modelos y prototipos por métodos más automatizados, generalmente en horas o días en lugar de las semanas que los prototipos tradicionales solían llevar.

La impresión 3D, es una extensión lógica de esta idea en la que los diseñadores de productos hacen sus propios prototipos rápidos, en horas, utilizando sofisticadas máquinas similares a las impresoras de inyección de tinta.

¿Cómo funciona una impresora 3D?

Imagínese construir un prototipo de automóvil de madera convencional. Comenzarías con un bloque de madera maciza y tallarías hacia adentro, como un escultor, revelando gradualmente el objeto “escondido” en el interior.

O si quisieras hacer un modelo arquitectónico de una casa, la construirías como una casa prefabricada real, probablemente cortando réplicas en miniatura de las paredes en cartulina y pegándolas juntas.

Ahora, con un láser se podría tallar fácilmente la forma de la madera e incluso, se podría dar la posibilidad de entrenar a un robot para pegar las piezas de cartón, ¡Pero las impresoras 3D no funcionan de ninguna de esas maneras!

Una impresora 3D típica es muy parecida a una impresora de inyección de tinta operada desde una computadora.

Construye un modelo 3D, capa a capa, de abajo hacia arriba, imprimiendo repetidamente sobre la misma área en un método conocido como modelado por depósito fusionado (FDM).

Trabajando de forma totalmente automática, la impresora crea un modelo durante un período de horas al convertir un dibujo CAD en 3D en muchas capas de secciones transversales bidimensionales; impresiones en 2D separadas de manera efectiva que se colocan una encima de la otra, pero sin el papel de por medio.

En lugar de usar tinta, que nunca acumularía mucho volumen, la impresora deposita capas de plástico o polvo fundido y las fusiona (y a la estructura existente) con adhesivo o luz ultravioleta.

¿Qué tipo de “tinta” utiliza una impresora 3D? A: ¡Plástico!

Donde una impresora de inyección de tinta rocía tinta líquida y una impresora láser usa polvo sólido, una impresora 3D no usa ninguno de los dos: ¡no se puede construir un modelo 3D acumulando agua coloreada o polvo negro! Con lo que se puede modelar, es con plástico.

Una impresora 3D esencialmente funciona extruyendo plástico fundido a través de una pequeña boquilla que se mueve con precisión bajo el control de la computadora. Imprime una capa, espera a que se seque y luego imprime la siguiente capa en la parte superior.

Dependiendo de la calidad de la impresora, lo que obtienes es un modelo 3D de aspecto impresionante o muchas líneas 2D de plástico colocadas crudamente una encima de la otra, ¡Como un glaseado de pastel mal entubado!

El plástico con el que se imprimen los modelos es obviamente de gran importancia.

Cuando hablamos de plástico, generalmente nos referimos a “plásticos”: Si eres un reciclador diligente, sabrás que hay muchos tipos de plástico, todos los cuales son diferentes, tanto químicamente (en su composición molecular) como físicamente (en la forma en que se comportan con el calor, la luz, etc.).

No es de extrañar que las impresoras 3D utilicen termoplásticos (plásticos que se derriten cuando los calienta y se vuelven sólidos cuando los vuelves a enfriar) y por lo general, ABS (acrilonitrilo butadieno estireno), PLA (ácido poliláctico) o PETG (polietileno gereftalato glicol).

Quizás más familiar como el material con el que se fabrican los ladrillos LEGO, el ABS también se usa ampliamente en el interior de los automóviles (a veces en partes externas como los tapacubos también), para hacer el interior de los refrigeradores y en las partes de plástico de las computadoras (es muy probable que el mouse y teclado que estás utilizando en este momento sean de plástico ABS).

Entonces, ¿Por qué se utiliza este material para la impresión 3D?

Es realmente un compuesto de un plástico duro y resistente (acrilonitrilo) con un caucho sintético (butadieno estireno).

Es perfecto para la impresión 3D porque es un sólido a temperatura ambiente y se derrite a un poco más de 100°C que es lo suficientemente frío como para derretirse dentro de la impresora sin demasiado calor y lo suficientemente caliente como para que los modelos impresos con ella ganen la suficiente resistencia para no ser derritodos si se dejan al sol.

Una vez fraguado, se puede lijar o pintar. Otra propiedad útil del ABS es que es un color amarillo blanquecino en su forma cruda, pero los pigmentos (los químicos de color en la pintura) se puede agregar para que sea prácticamente de cualquier color.

Según el tipo de impresora que estés usando, le das el plástico en forma de pequeños gránulos o filamentos (como hilos de plástico).

El PLA es más fácil de usar que el ABS y un poco más ecológico, aunque es más suave y menos duradero. PETG es una cosa intermedia, más cercana a la fuerza del ABS, fácil de moldear y relativamente fácil de reciclar.

No es necesario imprimir en 3D con plástico: En teoría, puedes imprimir objetos utilizando cualquier material fundido que se endurezca y fragüe razonablemente rápido.

En julio de 2011, investigadores de la Universidad de Exeter de Inglaterra dieron a conocer un prototipo de impresora de alimentos que podía imprimir objetos en 3D utilizando chocolate fundido.

Ventajas y desventajas de las Impresoras 3D

Los fabricantes de impresoras 3D afirman que son hasta 10 veces más rápidas que otros métodos y 5 veces más baratas, por lo que ofrecen grandes ventajas para las personas que necesitan prototipos rápidos. En horas en lugar de días.

Aunque las impresoras 3D de alta gama siguen siendo caras (por lo general, entre 25.000 y 50.000 dólares), aún así, siguen costando una fracción del costo de las máquinas RP más sofisticadas (que cuestan entre 100.000 y 500.000 dólares).

También hay disponibles máquinas mucho más baratas (puedes comprar un kit de impresora Tronxy 3D por alrededor de 300 o 400 euros).

Además, las impresoras 3D son razonablemente más pequeños, seguras, fáciles de usar y confiables (características que las han hecho cada vez más populares en lugares como escuelas de diseño o ingeniería).

En el lado negativo, el acabado de los modelos que producen suelen ser inferiores a los producidos con máquinas RP de gama alta.

La elección de materiales a menudo se limita a solo uno o dos, los colores pueden ser crudos y la textura puede no reflejar muy bien el acabado deseado del producto.

Entonces, en general:

  • Los modelos impresos en 3D pueden ser mejores para visualizaciones preliminares y aproximadas de nuevos productos.
  • Las máquinas RP más sofisticadas se pueden usar más adelante en el proceso cuando los diseños están más cerca de la finalización y se requiere comprobar aspectos como la textura precisa de la superficie.

Aplicaciones de las Impresoras 3D

¿Para qué se puede utilizar una impresora 3D? Es un poco como preguntar “¿De cuántas formas se puede utilizar una fotocopiadora?” En teoría, el único límite es tu imaginación.

En la práctica, los límites son la precisión del modelo desde el que se imprime, la precisión de tu impresora y los materiales con los que imprimes. La impresión 3D moderna se inventó hace unos 25 años, pero solo comenzó a despegar en la última década.

Gran parte de la tecnología es aún relativamente nueva; aun así, la variedad de los usos de la impresión 3D es bastante asombrosa.

Medicina

La vida es un viaje de ida: Los humanos falibles y envejecidos con cuerpos arrugados y que se desmoronan naturalmente ven una gran promesa en una tecnología que tiene el potencial de crear partes y tejidos corporales de reemplazo.

Es por eso que los médicos estuvieron entre las primeras personas en explorar la impresión 3D.

Hemos visto orejas impresas en 3D (de la empresa india Novabeans), brazos y piernas (de Limbitless Solutions, Biomechanical Robotics Group y Bespoke) y músculos (de la Universidad de Cornell).

Las impresoras 3D también se han utilizado para producir tejido artificial (Organovo), células (Samsara Sciences) y piel (en una asociación entre el gigante de los cosméticos L’Oreal y Organovo).

Aunque estamos un poco lejos de tener órganos de reemplazo completamente impresos en 3D (como corazones e hígados), las cosas se están moviendo rápidamente hacía esa dirección.

Un proyecto, dirigido por el Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa en Carolina del Norte, imprime corazones, pulmones y vasos sanguíneos humanos en miniatura, los coloca en un microchip y los prueba con una especie de sangre artificial.

Además de las piezas de repuesto del cuerpo, la impresión 3D se utiliza cada vez más para la educación y formación médica.

En el Nicklaus Children’s Hospital en Miami, Florida, los cirujanos practican la cirugía en réplicas impresas en 3D de corazones de niños. En otros lugares, se utiliza la misma técnica para ensayar la cirugía cerebral.

Aeroespacial y defensa

Diseñar y probar aviones es un negocio complejo y costoso: ¡Un Boeing Dreamliner tiene alrededor de 2,3 millones de componentes en su interior!

Aunque los modelos informáticos se pueden utilizar para probar bastantes aspectos de cómo se comportan los aviones, todavía es necesario fabricar prototipos precisos para cosas como las pruebas en el túnel de viento.

La impresión 3D es una forma sencilla y eficaz de hacerlo.

Si bien los aviones comerciales se construyen en masa, es más probable que los aviones militares sean altamente personalizados y la impresión 3D permite diseñar, probar y fabricar piezas únicas o de bajo volumen de forma rápida y rentable.

Las naves aeroespacionales son incluso más complejas que los aviones y tienen el inconveniente adicional de que se “fabrican” en pequeñas cantidades; a veces, solo se fabrican de forma exclusiva.

En lugar de hacer todo el gasto de fabricar herramientas y equipos de fabricación únicos, puede tener mucho más sentido imprimir componentes únicos en 3D.

Pero, ¿Por qué incluso hacer partes de naves espaciales en la Tierra?

Enviar estructuras complejas y pesadas al espacio es difícil, costoso y requiere mucho tiempo; la capacidad de fabricar cosas en la Luna o en otros planetas podría resultar invaluable.

Es fácil imaginar a los astronautas (o incluso a los robots) utilizando impresoras 3D para producir cualquier objeto que necesiten (incluidas las piezas de repuesto) lejos de la Tierra, siempre que las necesiten.

Pero incluso los proyectos espaciales convencionales generados en la Tierra pueden beneficiarse de la velocidad, la simplicidad y el bajo costo de la impresión 3D.

Visualización

Hacer prototipos de aviones o cohetes espaciales es un ejemplo de un uso mucho más amplio de la impresión 3D: Visualizar cómo se verán los nuevos diseños en tres dimensiones. Podemos usar cosas como la realidad virtual para eso, por supuesto, pero las personas a menudo prefieren cosas que puedan ver y tocar.

Cada vez más, las impresoras 3D se utilizan para un modelado arquitectónico rápido y preciso.

Aunque (todavía) no podemos imprimir en 3D en materiales como el ladrillo y el hormigón, hay una amplia gama de plásticos disponibles y se pueden pintar para que parezcan acabados de construcción realistas.

Además, ya existen impresoras capaces de construir conjunto a materiales avanzados, teniendo que ser el ser humano el que se los aporte; como con tierra.

De la misma manera, la impresión 3D también se usa ahora ampliamente para la creación de prototipos y pruebas de productos industriales y de consumo.

Dado que muchas cosas cotidianas se moldean a partir de plástico, un modelo impreso en 3D puede tener un aspecto muy similar al producto terminado, perfecto para pruebas de grupos de inversión o estudios de mercado.

Productos personalizados

Desde cepillos de dientes de plástico hasta envoltorios de caramelos, la vida moderna está aquí, el hoy y el mañana se ha ido, es conveniente, económica y desechable.

Sin embargo, no todos aprecian la producción en masa lista para usar, razón por la cual las costosas “etiquetas de diseñador” son tan populares.

En el futuro, más de nosotros podremos disfrutar de los beneficios de productos asequibles y altamente personalizados hechos a la medida de nuestras especificaciones exactas. Las joyas y los accesorios de moda ya se están imprimiendo en 3D.

Gracias a servicios sencillos en línea como Shapeways, cualquiera puede crear sus propios nick-nacks impresos en 3D.

Los “productos personalizados” no son simplemente cosas que compramos y usamos: Los alimentos que comemos también pueden entrar en esa categoría.

Cocinar requiere tiempo, habilidad y paciencia, porque preparar una comida deliciosa va mucho más allá de mezclar ingredientes y calentarlos en una estufa.
Dado que la mayoría de los alimentos se pueden extruir (exprimir a través de boquillas), (teóricamente) también se pueden imprimir en 3D.

Hace unos años, Evil Mad Scientist Laboratories imprimió juguetonamente algunos objetos extraños con azúcar. En 2013, el columnista del New York Times AJ Jacobsse desafió a sí mismo a imprimir una comida completa, incluidos el plato y los cubiertos.

En el proceso, se topó con el trabajo de Hod Lipson de la Universidad de Cornell, quien cree que algún día las comidas pueden imprimirse personalmente en 3D para que coincidan con las necesidades nutricionales exactas de su cuerpo.

En 2020 ya existen muchas empresas que juegan a crear amplias gamas de comidas, colores y diferentes sabores, por ejemplo: Novameat o Natural Machines.

Lo que nos lleva hacía el futuro..

El futuro de la impresión 3D

Mucha gente cree que la impresión 3D presagiará no solo una ola de trucos de plástico descarados, sino una revolución en la industria manufacturada y la economía mundial.

Aunque la impresión 3D, ciertamente nos permitirá hacer nuestras propias cosas, hay un límite entre lo que se puede lograr con una impresora barata y un tubo de plástico.

Es probable que los beneficios económicos reales lleguen cuando las grandes empresas adopten universalmente la impresión 3D como un pilar central de la industria de la manufactura.

Primero, eso permitirá a los fabricantes ofrecer mucha más personalización de los productos existentes, por lo que la asequibilidad de la producción en masa lista para usar se combinará con el atractivo de la artesanía artesanal única y personalizada.

En segundo lugar, la impresión 3D es esencialmente una tecnología robótica, por lo que reducirá el costo de fabricación hasta el punto en que, una vez más, será rentable fabricar artículos en América del Norte y Europa que actualmente se ensamblan a bajo costo (por humanos mal pagados) en lugares como China e India.

Finalmente, la impresión 3D aumentará la productividad (ya que se necesitarán menos personas para hacer las mismas cosas) reduciendo los costos de producción en general, lo que debería conducir a precios más bajos y una mayor demanda y eso siempre es bueno para los consumidores, los fabricantes y la economía.