De la Impressió 3D a la Fabricació Digital

dimarts, 10 febrer, 2015

Els darrers anys s’està sentint molt a parlar de la Impressió 3D i més recentment del concepte de Fabricació Digital o moviment Maker. Des de CaminsTECH, en col·laboració amb CaminsMakers, hem estat investigant i treballant en aquestes noves tendències tecnològiques.

CaminsMakers és un espai de fabricació digital que neix com una iniciativa del Laboratori de Models Reduïts del Departament de RMEE de l’Escola de Camins de la UPC-BarcelonaTech. Es crea amb l’objectiu de profunditzar i aplicar a la docència i a la recerca els diferents camps que la corrent Maker ens ofereix, on destaquem la impressió 3D, l’Open Hardware i l’Open Software.

Tot aprofitant aquestes experiències, en aquest article volem compartir coneixements sobre aquest món d’impressió 3D i de Fabricació Digital.

Història de la impressió 3D

La impressió 3D neix a l'any 1983 amb la invenció del procés d'impressió anomenat estereolitografia (SLA) que permet crear un objecte 3D a partir de dades digitals. Sorgeix el concepte d'impressió de materials enlloc de la tinta de tota la vida.

Una impressora 3D diposita material en una sèrie de capes molt fines i successives per crear un objecte procedent d'un format digital, és el que s'anomena fabricació per addició o fabricació additiva.

L'any 1988 es creen les primeres impressores estereolitogràfiques (SLA) de la mà de 3D Systems, una de les empreses capdavanteres actualment en el món de la impressió 3D.

Entre 1988 i 1990 apareixen dos nous mètodes d’impressió, la impressió FDM (fused deposition modelling) i la impressió làser o SLS (selective laser sintering). Les primeres impressores FDM es fabriquen l’any 1990 a l’empresa Stratasys, l’altra de les empreses principals en aquest món actualment.

 A partir de l’any 2000 comença el creixement de la venda d’impressores 3D, principalment per la reducció del seu cost i gràcies a això comencen a apropar-se a l’entorn d’usuari personal. Sorgeixen també iniciatives de codi obert per construir impressores que puguin imprimir els seus propis components amb l’objectiu de reduir els costos i estendre la tecnologia 3D pel món. Un exemple d’aquest tipus de projectes és RepRap, que va fundar el Dr. Adrian Bowyer de la Universitat de Bath i del que existeix un exemple proper anomenat RepRapBCN a la Fundació CIM de la UPC.

Apareix la tecnologia d’impressió de fotopolimerització o Polyjet, i l’any 2006 surten al mercat els primers models d’impressores SLS.

 En els darrers anys el món de la impressió 3D ha anat avançant, s’han anat reduint els costos i la mida de les impressores, han anat apareixen noves tecnologies i nous materials, i es va aplicant aquesta tecnologia en nous camps:

2008:  Es fabriquen la primera pròtesi impresa en 3D, una cama amb totes les parts (genoll, peu, etc.)

2009:  Arriba la bio-impressió amb la tecnologia del Dr. Gabor Forgacs, que utilitza una bio-impressora 3D per imprimir un vas sanguini. L’empresa Organovo dissenya la impressora 3D MMX Bioprinter, la primer capaç d’imprimir teixits orgànics.

2011: Els enginyers de la Universitat de Southampton dissenyen i fan volar el primer primer avió imprès en 3D, avió no tripulat i construït en 7 dies amb un pressupost de 7000€. Koe Ecologic presenta Urbee, un prototip de cotxe amb la carrosseria dissenyada i impresa en 3D. L’empresa Materialise és la primera en oferir servei d’impressió 3D d’or de 14 quirats i plata de llei.

2014: Es treballa en les primeres impressores de formigó aplicades a la construcció.

Segons Gartner (empresa consultora i d’investigació de les tecnologies de la informació) l’any 2015 la impressió 3D serà una de les tendències tecnològiques més estratègiques, per tant, s’està convertint en una tecnologia amb pes i gràcies a ella s’han originat noves tendències i nous moviments a Internet, com el moviment Maker o de Fabricació Digital del que parlarem més endavant.


Exemples de models d'impressores 3D / Imatge: www.comher.blogspot.com.es

Característiques d’una impressora 3D

Alhora de valorar una impressora 3D s’han de tenir en compte diferents característiques i factors que ens ajuden a entendre millor les seves prestacions i el seu preu.

  • Mida màxima d’àrea d’impressió:  La mitjana de mida màxima d’àrea d’impressió que poden imprimir les impressores de baix i mig  cost del mercat seria d’uns 200mm x 200mm x 200mm. Les impressores d’ús industrial, molt més cares, poden imprimir mides més grans com 900mm  x 600mm x 900mm.
     
  • Resolució: És l’equivalent a la resolució d’una impressora 2D, en el pla X-Y i ve definida pels píxels per polsada (ppp). Avui en dia existeixen impressores amb resolucions de l’ordre de fins a 600 ppp.
     
  • Precisió: És el gruix de les fines capes de material que la impressora va afegint. La resolució típica és de 0,1mm i ja existeixen impressores de fins a 16 micres (0,016mm) per capa.
     
  • Temps del procés d’impressió: La velocitat d’impressió és un criteri clau donat que una impressió 3D pot trigar varies hores. A més, s’ha de tenir en compte que també hi ha impressores que fan servir material de suport que necessita un temps de post-processat per retirar-lo de la peça impresa. Aquest material addicional s’utilitza a més del principal a models i peces que requereixen suport per poder-les imprimir.
     
  • Materials: És molt important en una impressora 3D els tipus de materials que pot utilitzar per imprimir, cal valorar les diferents games (plàstics, resines, polímers, poliamida,...) i les propietats d’aquests materials (matisos, transparència, resistència, rigidesa i flexibilitat).
     
  • Despeses d’impressió: S’ha de tenir en compte el preu del material amb que s’imprimeix i  el preu dels recanvis com poden ser els capçals, les boquilles d’extrusió o safates que en alguns models cal canviar.

En funció d'aquestes característiques varia el preu dels models d'impressores 3D, en la següent gràfica veiem exemples de models actuals i el seu preu (la mida màxima d'àrea d'impressió està en milímetres).

Comparativa de models d'impressores 3D / Imatges: www.reprapbcn.com, www.makerbot.com, www.pixelsistemas.com

Tecnologies d’impressió 3D

Com hem comentat a l’apartat d’història de la impressió 3D, des de l’any 1983 han anat apareixen diferents tecnologies de fabricació d’objectes 3D de geometria complexa afegint capes molt fines de materials. Les més destacades són:

  • SLA (Estereolitografia): Tecnologia basada en la solidificació de resines fotosensibles capa a capa mitjançant un làser amb freqüència ultraviolada. Les peces resultants són d'elevada precisió i els materials poden tenir diferents acabats (transparències, metal·litzats, pintats,..). Aquesta tecnologia es la que es fa servir principalment a nivell industrial per fer prototipatge i models conceptuals i funcionals. Es tracta d’impressores de preu força elevat.

    Peça impresa amb tecnologia SLA / Imatge: www.lupeon.com
  • FDM (Fusion Deposition Modeling): És la més estesa avui en dia i utilitza una boquilla mitjançant la qual diposita el material, el fon i es solidifica. L’extrusió és aquest procés d’escalfament i impressió per capes molt fines de materials de modelat i de suport. Una impressora FDP treballa amb l’extrusió de filament de termoplàstics que creen peces resistents, perdurables, precises i estables. Es fan servir materials termoplàstics com ABS, ABSplus, PC i ULTEM.

    Peça impresa amb tecnologia FDM / Imatge: www.pixelsistemas.com
  • SLS (Selective Laser Sinterin): Aquesta tecnologia es basa en partícules de pols de poliamida foses amb un làser i que es solidifiquen capa a capa (sinterització). Es poden crear peces de geometries molt complexes amb bones característiques mecàniques. L’acabat de la superfície és rugosa i necessita un post-processat  superficial. Els materials utilitzats són PA, PA12 i Alumide.
    ggg
    Peça impresa amb tecnologia SLS / Imatge: www.lupeon.com
  • Polyjet: Basada en la injecció de capes de fotopolímer líquid que es solidifiquen mitjançant llum ultraviolada. Són impressores d’alta velocitat que fan models amb superfícies d’acabats suaus i alts nivells de realisme i de detall. Poden utilitzar i combinar varis materials simulats mitjançant els polímers: plàstics, cautxú, rígids, flexibles, diferents colors, transparents, opacs, etc.

Peces impreses amb tecnologia Polyjet / Imatge: www.pixelsistemas.com

Materials d’impressió 3D

Creiem que és molt important conèixer en detall la gama de materials existents actualment que les impressores 3D poden utilitzar segons cada tecnologia i cada model. Hi ha molta diferencia entre els materials respecte a l’estructura, definició, propietats tèrmiques, aparença visual, durabilitat i altres. L’ús que voldrem fer dels objectes a crear determinarà quin material o materials ens interessen per reproduir-los.

Per parlar dels materials d’impressió ens centrarem en la tecnologia FDM i la Polyjet, donat que són les més esteses i assequibles, i les que han permès que el món de la impressió 3D s’acosti més als entorns personal, acadèmic i de recerca. Només entre aquestes dues tecnologies existeixen més de 130 materials possibles. Per tant, és indispensable fer un estudi previ segons la utilització que farem de les nostres creacions per determinar el material o materials que hem d’utilitzar i que en definitiva condicionaran el model d’impressora 3D que necessitem.

  • Materials FDM:  Els materials que fan servir les impressores d’aquesta tecnologia són termoplàstics que la seva característica més destacable és l’alt rendiment que donen i amb els que es poden crear objectes resistents, perdurables, precisos i molt estables. Tipus de termoplàstics: ABSplus, ABSi, ABS-M30, ABS-M30i, ABS-ESD7, NYLON, PC-ABS, PC, PC-ISO, PPSF/PPSU i ULTEM 9085.
     
  • Materials Polyjet: Les impressores d’aquest tipus utilitzen fotopolímers que simulen materials reals i permeten una alta precisió en la creació de peces, i poden tenir propietats molt diverses: nets, flexibles, rígids, transparents, opacs, plàstics, cautxú i colors varis. A més es poden combinar varis materials depenen del model d’impressora. Tipus de fotopolímers: Materials digitals, Alta temperatura (RGD525), Opac rígid (Vero), Similar al cautxú (Tango), Material Dental (VeroDent), ABS Dígital, Transparent (VeroClear).

A la següent gràfica podem veure la comparativa sobre el rendiment i les propietats dels diferents materials d’aquestes dues tecnologies.


Taula comparativa de les propietats dels materials FDM i Polyjet / Imatge: www.stratasys.com

Tot seguit deixem un recull pàgines i documents on es pot consultar més en detall les propietats de tots aquests materials.

Modelatge 3D

Per tal d’imprimir en una impressora 3D ens cal primerament un model digital 3D de l’objecte. Pel modelat existeixen una amplia gama d’eines que s’usen per aplicacions diverses com les biomèdiques, el cinema, l’arquitectura, l’enginyeria, els videojocs o la ciència. Pel nostre àmbit més proper de l’enginyeria s’utilitzen eines de software CAD 3D com:

Amb aquest software generarem un arxiu en format STL que és el format que necessita qualsevol impressora 3D per imprimir una peça.

El modelatge d’un objecte es pot fer manualment a partir de les mides d’un objecte o bé utilitzant un escàner 3D que retorna un núvol de punts que es pot importar i tractar amb el software de modelatge.


Captura de pantalla d'Autodesk Inventor

Aplicacions i usos de la impressió 3D

  • Prototipatge i modelatge: Amb la impressió 3D els enginyers i els dissenyadors disposen d’una eina molt potent per poder fer maquetes i models que representin les seves idees amb un cost molt menor de fabricació que el de la fabricació de maquetes fetes a mà o amb tecnologies tradicionals. Es més ràpid imprimir models que representin el producte final per ajudar a avaluar-lo visualment, testejar-lo i revisar que compleix els requisits i les característiques funcionals que se li demanen.
     
  • Producció de productes acabats: Les impressores 3D poden ser una alternativa molt interessant per la producció de productes finals ja que ens ofereix avantatges com geometries molt complexes, el transport digital, la personalització, producció de peces ja acoblades i ús de materials més econòmics, entre d’altres.
     
  • Creació de motlles: La fabricació de motlles complexes basats en dissenys digitals CAD 3D es redueix a unes hores amb la impressió digital. Aquests motlles serviran per crear productes finals com per exemple joies.

Dos usos de la impressió 3D on el món de l’enginyeria en treu molt de profit són la creació de peces auxiliars i la creació de models reduïts. En aquestes noves aplicacions estaven molt interessats a CaminsMakers i des de CaminsTECH hem col·laborat a engegar aquest projecte de creació de peces a partir de models digitals 3D.

  • Creació de peces auxiliars: La impressió 3D facilita la fabricació de peces finals addicionals que es poden utilitzar en models o estructures físiques construïdes d’altres maneres.
     
  • Creació de models reduïts: Es tracta de crear peces per reproduir elements a escala i d’aquesta manera poder fer assaigs i estudis amb un cost molt menor de fabricació. Aquestes peces poden ser utilitzades tant per docència (laboratoris, pràctiques, etc.) com per recerca.

Assaig realitzat per CaminsMakers utilitzant dos peces auxiliars impreses en 3D

Podeu trobar més informació, adreces i documents d'interès sobre la impressió 3D a http://caminstech.upc.edu/impressio3d

Maker / Fabricació Digital

Quan es parla del moviment Maker o de Fabricació Digital ens referim a molt més que impressores 3D, és una actitud davant de la tecnologia, la tècnica, la creació, la creativitat i la vida quotidiana. Va sorgir aproximadament a la dècada passada en diferents punts del món, entre els que destaca Califòrnia (EEUU).

Podem també definir la Fabricació Digital com el procés que combina el disseny amb la construcció-producció utilitzant software-hardware i tecnologies de fabricació additives i subtractives.

El moviment Maker neix de coses com:

  • la convergència de tradicions com el Tinkerer o el “manetes” (aquella persona autodidacta i curiosa que desmunta aparells per entendre`ls, inventa andròmines i arregla coses)
  • el hacker de Silicon Valley
  • l’actitud Do It Yourself (Fes-ho tu mateix)
  • les filosofies Open Source
  • la Cultura lliure
  • l’apreciació per la innovació
  • el retorn de les artesanies i labors
  • l’apreciació pel treball a mà i amb ànima humana

Els tres pilars en els que es basa el moviment Maker són:

  • DIY (Do It Yourself) o Fes-ho tu mateix: Ens anima a que aprenguem a crear els nostres objectes, a reparar-los, a crear el nostre futur, cadascú.
  • DIWO (Do It With Others) o Fes-ho amb altres: Anima a que compartim els nostres projectes i que es facin col·lectivament, i fins i tot horitzontalment, tot seguint la sintonia de cultura participativa i col·laborativa.
  • Compartir: Ens anima a compartir el procés de creació del que creem i el hardware en codi obert, a través de les xarxes socials i amb els amics i coneguts.

El Maker és com el Hacker del Hardware, de la creació física feta de matèria. Aquest moviment s’ha considerat com l’important impulsor de la III Revolució Industrial a la que, segons Chris Anderson, estem entrant. El seu model de producció es basa en espais de creació compartits com Hacklabs, Fablabs, espais de coworking i espais Maker equipats amb impressores 3D, talladors làser, soldadors, ordinadors, tornavisos, martells i eines tradicionals que realitzen els seus projectes alguns amb ànim lucratiu o altres sense cap altre ànim que desenvolupar una passió col·lectiva.

La revista Make Magazine va ser la primera en donar empenta al moviment Maker. Les seves publiacions van propulsar les primeres Maker Faire des de l’any 2006 a Bay Area (San Francisco,Califòrnia). Actualment, es celebren Maker Faires a ciutats de tot el món on hi participen milers de makers, fabbers, hackers, artesans i artistes, i on hi assisteixen centenars de milers de persones. Com la Barcelona Mini Maker Faire que es celebra a la ciutat Comtal des de l’any 2013 i que la seva web defineix com “una reunió de gent fascinant i curiosa que disfruta aprenent i que li encanta compartir el que fa. És un lloc on inventors, creadors i els makers poden mostrar exemples del seu treball i interactuar amb altres sobre aquest; i on s’exposa, abans que en altre lloc, totes les novetats que s’estan desenvolupant”.


Peça auxiliar modelada per CaminsTECH i utilizada en assaigs de CaminsMakers

Afegeix un nou comentari

Image CAPTCHA