En los últimos años se oye hablar mucho de la Impressión 3D y más recientemente del concepto de Fabricación Digital o movimiento Maker.  Desde CaminsTECH, en colaboración con CaminsMakers, hemos estado investigando y trabajando en estas nuevas tendencias tecnológicas.

CaminsMakers es un espacio de fabricación digital que nace como una iniciativa del Laboratorio de Modelos Reducidos del Departamento de RMEE de la Escuela de Caminos de UPC-Barcelona Tech. Se crea con el objetivo de profundizar y aplicar a la docencia e investigación los diferentes campos que la corriente Maker nos ofrece, donde destacamos la impresión 3D, el CaminsMakers y el Open Software.

Aprovechando estas experiencias, en este artículo queremos compartir conocimientos sobre este mundo de impresión 3D y Fabricación Digital.

Historia de la impresión 3D

La impresión 3D nace en el año 1983 con la invención del proceso de impresión llamado estereolitografía (SLA) que permite crear un objeto 3D a partir de datos digitales. Surge el concepto de impresión de materiales en lugar de la tinta de toda la vida.

Una impresora 3D deposita material en una serie de capas muy finas y sucesivas para crear un objeto procedente de un formato digital, es lo que se llama fabricación por adición o fabricación aditiva.

En 1988 se crean las primeras impresoras estereolitogràfiques (SLA) de la mano de 3D Systems, una de las empresas líderes actualmente en el mundo de la impresión 3D.

Entre 1988 y 1990 aparecen dos nuevos métodos de impresión, la impresión FDM (fused deposition modelling) y la impresión láser o SLS (selective laser Sintering). Las primeras impresoras FDM se fabrican en 1990 en la empresa Stratasys, otra de las empresas principales en este mundo actualmente.

  A partir del año 2000 comienza el crecimiento de la venta de impresoras 3D, principalmente por la reducción de su coste y gracias a ello comienzan a acercarse al entorno de usuario personal. Surgen también iniciativas de código abierto para construir impresoras que puedan imprimir sus propios componentes con el objetivo de reducir los costes y extender la tecnología 3D por el mundo. Un ejemplo de este tipo de proyectos es RepRap, que fundó el Dr. Adrian Bowyer de la Universidad de Bath y del que existe un ejemplo cercano llamado RepRapBCN en la Fundació CIM de la UPC.

Aparece la tecnología de impresión de fotopolimerización o Polyjet, y en 2006 salen al mercado los primeros modelos de impresoras SLS.

En los últimos años el mundo de la impresión 3D ha ido avanzando, se han ido reduciendo los costes y el tamaño de las impresoras, han ido apareciendo nuevas tecnologías y nuevos materiales, y se va aplicando esta tecnología en nuevos campos:

2008: Se fabrica la primera prótesis impresa en 3D, una pierna con todas las partes (rodilla, pie, etc.)

2009: Llega la bio-impresión con la tecnología del Dr. Gabor Forgács, que utiliza una bio-impresora 3D para imprimir un vaso sanguíneo. La empresa Organovo diseña la impresora 3D MMX Bioprinter, la primera capaz de imprimir tejidos orgánicos.

2011: Los ingenieros de la Universidad de Southampton diseñan y hacen volar el primer primer avión impreso en 3D, avión no tripulado y construido en 7 días con un presupuesto de 7000 €. Koe Ecológico presenta Urbee, un prototipo de coche con la carrocería diseñada e impresa en 3D. La empresa  Materialise es la primera en ofrecer servicio de impresión 3D de oro de 14 quilates y plata de ley.

2014: Se trabaja en las primeras impresoras de hormigón aplicadas a la construcción.

Segun Gartner (empresa consultora y de investigación de las tecnologías de la información) el año  2015 la impresión 3D será una de las tendencias tecnológicas más estratégicas, por lo tanto, se está convirtiendo en una tecnología con peso y gracias a ella se han originado nuevas tendencias y nuevos movimientos en Internet, como el movimiento Maker o de Fabricación Digital del que hablaremos más adelante.

Características de una impresora 3D

Al valorar una impresora 3D se deben tener en cuenta diferentes características y factores que nos ayudan a entender mejor sus prestaciones y su precio.

• Tamaño máximo de área de impresión:  El promedio de tamaño máximo de área de impresión que pueden imprimir las impresoras de bajo y medio coste del mercado sería de unos 200mm x 200mm x 200mm. Las impresoras de uso industrial, mucho más caras, pueden imprimir tamaños más grandes como 900mm x 600mm x 900mm.
• Resolución: Es el equivalente a la resolución de una impresora 2D, en el plano XY y viene definida por los píxeles por pulgada (ppp). Hoy en día existen impresoras con resoluciones del orden de hasta 600 ppp.
• Precisión: Es el grueso de las finas capas de material que la impresora va añadiendo. La resolución típica es de 0,1mm y ya existen impresoras de hasta 16 micras (0,016mm) por capa.
• Tiempo del proceso de impresión: La velocidad de impresión es un criterio clave dado que una impresión 3D puede tardar varias horas. Además, se debe tener en cuenta que también hay impresoras que utilizan material de apoyo que necesita un tiempo de post-procesado para retirarlo de la pieza impresa. Este material adicional se utiliza además del principal en modelos y piezas que requieren apoyo para poder imprimir.
• Materiales: Es muy importante en una impresora 3D el tipo de material que puede utilizar para imprimir, hay que valorar las diferentes gamas (plásticos, resinas, polímeros, poliamida, ...) y las propiedades de estos materiales (matices, transparencia, resistencia, rigidez y flexibilidad).
• Gastos de impresión: Se debe tener en cuenta el precio del material con que se imprime y el precio de los repuestos como pueden ser los cabezales, las boquillas de extrusión o bandejas que en algunos modelos hay que cambiar.

En función de estas características varía el precio de los modelos de impresoras 3D, en la siguiente gráfica vemos ejemplos de modelos actuales y su precio (el tamaño máximo de área de impresión está en milímetros).

Tecnologias de impresión 3D

Como hemos comentado en el apartado de historia de la impresión 3D, desde 1983 han ido aparecen diferentes tecnologías de fabricación de objetos 3D de geometría compleja añadiendo capas muy finas de materiales. Las más destacadas son:

• SLA (Estereolitografia): Tecnología basada en la solidificación de resinas fotosensibles capa a capa mediante un láser con frecuencia ultravioleta. Las piezas resultantes son de elevada precisión y los materiales pueden tener diferentes acabados (transparencias, metalizados, pintados, ..). Esta tecnología es la que se utiliza principalmente a nivel industrial para hacer prototipado y modelos conceptuales y funcionales. Se trata de impresoras de precio bastante elevado.
  
  
  Pieza impresa con tecnología SLA / Imagen: www.lupeon.com
• FDM (Fusion Deposition Modeling): Es la más extendida hoy en día y utiliza una boquilla mediante la cual deposita el material, lo funde y se solidifica. La extrusión es este proceso de calentamiento e impresión por capas muy finas de materiales de modelado y de apoyo. Una impresora FDP trabaja con la extrusión de filamento de termoplásticos que crean piezas resistentes, perdurables, precisas y estables. Se utilizan materiales termoplásticos como ABS, ABSplus, PC y Ultem.
  
  
  Pieza impresa con tecnología FDM / Imagen: www.pixelsistemas.com
• SLS (Selective Laser Sinterin): Esta tecnología se basa en partículas de polvo de poliamida fundidas con un láser y que se solidifican capa a capa (sinterización). Se pueden crear piezas de geometrías muy complejas con buenas características mecánicas. El acabado de la superficie es rugosa y necesita un post-procesado superficial. Los materiales utilizados son PA, PA12 y Alumide.
  
  
  Pieza impresa con tecnología SLS / Imagen: www.lupeon.com
• Polyjet: Basada en la inyección de capas de fotopolímero líquido que se solidifican mediante luz ultravioleta. Son impresoras de alta velocidad que hacen modelos con superficies de acabados suaves y altos niveles de realismo y de detalle. Pueden utilizar y combinar varios materiales simulados mediante los polímeros: plásticos, caucho, rígidos, flexibles, diferentes colores, transparentes, opacos, etc.

Materiales de impresión 3D

Creemos que es muy importante conocer en detalle la gama de materiales existentes actualmente que las impresoras 3D pueden utilizar según cada tecnología y cada modelo. Hay mucha diferencia entre los materiales respecto a la estructura, definición, propiedades térmicas, apariencia visual, durabilidad y otros. El uso que queramos hacer de los objetos determinará qué material o materiales nos interesan para reproducirlos.

Para hablar de los materiales de impresión nos centraremos en la tecnología FDM y la Polyjet, dado que son las más extendidas y asequibles, y las que han permitido que el mundo de la impresión 3D se acerque más a los entornos personal, académico y de investigación . Sólo entre estas dos tecnologías existen más de 130 materiales posibles. Por lo tanto, es indispensable hacer un estudio previo según la utilización que haremos de nuestras creaciones para determinar el material o materiales que debemos utilizar y que en definitiva condicionarán el modelo de impresora 3D que necesitamos.

• Materiales FDM:  Los materiales que utilizan las impresoras de esta tecnología son termoplásticos donde su característica más destacable es el alto rendimiento que dan y con los que se pueden crear objetos resistentes, perdurables, precisos y muy estables. Tipo de termoplásticos: ABSplus, ábside, ABS-M30, ABS-M30i, ABS-ESD7, NYLON, PC-ABS, PC, PC-ISO, PPSF / PPSU y Ultem 9085.
• Materiales Polyjet: Las impresoras de este tipo utilizan fotopolímeros que simulan materiales reales y permiten una alta precisión en la creación de piezas, y pueden tener propiedades muy diversas: limpios, flexibles, rígidos, transparentes, opacos, plásticos, caucho y colores varios. Además se pueden combinar varios materiales dependiendo del modelo de impresora. Tipo de fotopolímeros: Materiales digitales, Alta temperatura (RGD525), Opaco rígido (Vero), Similar al caucho (Tango), Material Dental (Verodes), ABS digital, Transparente (VeroClear).

En la siguiente gráfica podemos ver la comparativa sobre el rendimiento y las propiedades de los diferentes materiales de estas dos tecnologías.

A continuación dejamos una recopilación páginas y documentos donde se puede consultar más en detalle las propiedades de todos estos materiales.

• Descripción de los materiales FDM del fabricante Stratasys
• Descripción de los materiales Polyjet del fabricante Stratasys
• Document Materials Polyjet: Fotopolimers

Modelado 3D

Para imprimir en una impresora 3D necesitamos primeramente un modelo digital 3D del objeto. Por modelado existen una amplia gama de herramientas que se usan para aplicaciones diversas como las biomédicas, el cine, la arquitectura, la ingeniería, los videojuegos o la ciencia. Por nuestro ámbito más cercano de la ingeniería se utilizan herramientas de software CAD 3D como:

• Solidworks
• Autodesk Inventor
• AutoCAD 3D
• SketchUp

Con este software generaremos un archivo en formato STL que es el formato que necesita cualquier impresora 3D para imprimir una pieza.

El modelado de un objeto se puede hacer manualmente a partir de las medidas de un objeto o bien utilizando un escáner 3D que devuelve una nube de puntos que se puede importar y tratar con el software de modelado.

Aplicaciones y usos de la impresión 3D

• Prototipado y modelado: Con la impresión 3D los ingenieros y los diseñadores disponen de una herramienta muy potente para poder hacer maquetas y modelos que representen sus ideas con un coste mucho menor de fabricación que el de la fabricación de maquetas hechas a mano o con tecnologías tradicionales. Es más rápido imprimir modelos que representen el producto final para ayudar a evaluarlo visualmente, testearlo y revisar que cumpla los requisitos y las características funcionales que se le piden.
• Producción de productos acabados: Las impresoras 3D pueden ser una alternativa muy interesante para la producción de productos finales ya que nos ofrece ventajas como geometrías muy complejas, el transporte digital, la personalización, producción de piezas ya ensambladas y uso de materiales más económicos, entre otros.
• Creación de moldes: La fabricación de moldes complejos basados en diseños digitales CAD 3D se reduce a unas horas con la impresión digital. Estos moldes servirán para crear productos finales como por ejemplo joyas.

Dos usos de la impresión 3D donde el mundo de la ingeniería saca mucho provecho son la creación de piezas auxiliares y la creación de modelos reducidos. En estas nuevas aplicaciones estaban muy interesados en CaminsMakers  y desde CaminsTECH hemos colaborado a poner en marcha este proyecto de creación de piezas a partir de modelos digitales 3D.

• Creación de piezas auxiliares: La impresión 3D facilita la fabricación de piezas finales adicionales que se pueden utilizar en modelos o estructuras físicas construidas de otras maneras.
• Creación de modelos reducidos: Se trata de crear piezas para reproducir elementos a escala y de esta manera poder hacer ensayos y estudios con un coste mucho menor de fabricación. Estas piezas pueden ser utilizadas tanto para docencia (laboratorios, prácticas, etc.) como para investigación.

Se puede encontrar más información, direcciones y documentos de interés sobre la impresión 3D en http://caminstech.upc.edu/impressio3d

Maker / Fabricación Digital

Cuando se habla del movimiento Maker o de Fabricación Digital nos referimos a mucho más que impresoras 3D, es una actitud ante la tecnología, la técnica, la creación, la creatividad y la vida cotidiana. Surgió aproximadamente en la década pasada en diferentes puntos del mundo, entre los que destaca California (EEUU).

Podemos también definir la Fabricación Digital como el proceso que combina el diseño con la construcción-producción utilizando software-hardware y tecnologías de fabricación aditivas y sustractivas.

El movimiento Maker nace de cosas como:

• la convergencia de tradiciones como el Tinkerer o el "manitas" (aquella persona autodidacta y curiosa que desmonta aparatos para entenderlos, inventa trastos y arregla cosas)
• el hacker de Silicon Valley
• la actitud Do It Yourself (Hazlo tu mismo)
• las filosofias Open Source
• la Cultura libre
• la apreciación por la innovación
• el retorno de les artesanias y labores
• el aprecio por el trabajo a mano y con alma humana

Los tres pilares en los que se basa el movimiento Maker son:

• DIY (Do It Yourself) o Hazlo tu mismo: Nos anima a que aprendamos a crear nuestros objetos, a repararlos, crear nuestro futuro, cada uno.
• DIWO (Do It With Others) o Hazlo con otros: Anima a que compartimos nuestros proyectos y que se hagan colectivamente, e incluso horizontalmente, siguiendo la sintonía de cultura participativa y colaborativa.
• Compartir: Nos anima a compartir el proceso de creación de lo que creamos y el hardware en código abierto, a través de las redes sociales y con los amigos y conocidos.

El Maker es como el Hacker del Hardware, de la creación física hecha de materia. Este movimiento se ha considerado como el importante impulsor de la III Revolución Industrial en la que, según Chris Anderson, estamos entrando. Su modelo de producción se basa en espacios de creación compartidos como Hacklabs, Fablabs, espacios de coworking y espacios Maker equipados con impresoras 3D, cortadores láser, soldadores, ordenadores, destornilladores, martillos y herramientas tradicionales que realizan sus proyectos algunos con ánimo lucrativo u otros sin otro ánimo que desarrollar una pasión colectiva.

La revista Make Magazine fue la primera en dar empuje al movimiento Maker. Sus publiaciones propulsaron las primeras Maker Faire desde el año 2006 en Bay Area (San Francisco, California). Actualmente, se celebran Maker Faires en ciudades de todo el mundo donde participan miles de makers, fabbers, hackers, artesanos y artistas, y donde asisten cientos de miles de personas. como la Barcelona Mini Maker Faire que se celebra en la ciudad Condal desde el año 2013 y que su web define como "una reunión de gente fascinante y curiosa que disfruta aprendiendo y que le encanta compartir lo que hace. Es un lugar donde inventores, creadores y los makers pueden mostrar ejemplos de su trabajo e interactuar con otros sobre este; y donde se expone, antes que en otro lugar, todas las novedades que se están desarrollando ".