Iniciación a la impresión 3D

¿Quién no ha soñado alguna vez con la posibilidad de fabricar sus propios objetos con tan sólo introducir un modelo 3D en su ordenador y presionar el botón de imprimir?, pues esta tecnología ya ha llegado (??) y a continuación te vamos a explicar de qué se trata y cómo funciona.

¿Qué es la impresión 3D?

Definirla es sencillo: la impresión 3D es un proceso gracias al cuál se crean objetos físicos mediante la colocación de materiales en capas siguiendo un modelo digital (que será el prototipo de la pieza que esperamos obtener).

No es de extrañar que esta tecnología esté revolucionando la industria, especialmente sectores tan importantes como la arquitectura, la robótica o la medicina, entre otros factores por la inmediatez que ofrece, y unos costes ridículos.

¿Cómo funciona?

Aunque existen multitud de tipos de impresoras 3D, todas utilizan el mismo principio básico de funcionamiento.

Inicialmente, se parte de un modelo virtual haciendo uso de cualquier herramienta de diseño 3D, como puede ser SketchUp, Blender o TinkerCad. A continuación, haciendo uso de un software intermedio, el diseño es dividido en órdenes de movimiento interpretables por la impresora, que siguiendo dichas órdenes creará una capa, y luego repetirá el proceso encima de la capa anterior, así sucesivamente hasta crear el objeto final.

Para entender cómo funciona, te puedes imaginar a un albañil haciendo una pared. Inicialmente empezará con una fila de ladrillos desde el suelo, y luego (en la siguiente iteración) añadirá otra fila sobre la que ya había creado previamente. La impresión tridimensional consiste en seguir los mismos pasos, apilar capas una encima de otra, pero de forma automática.

Limitaciones

Existen limitaciones a la hora de imprimir un elemento que contiene partes en voladizo. La impresora no puede realizar su trabajo sobre ‘la nada’. Debe existir una base sólida sobre la que depositar el material. En el siguiente ejemplo ilustramos el problema.

Podemos seguir distintas aproximaciones:

• Cambio de orientación: a veces podremos resolver este problema simplemente reorientando la pieza, de esta forma es posible deshacernos de las partes en voladizo.

• Soportes: es una opción muy usada, ya que existen casos en los que el cambio de orientación no resuelve el problema. De esta forma añadimos una estructura (siguiendo con los símiles obreros podríamos verlo como un andamiaje) que soporta aquellas partes que no disponían de una base sobre la que depositarse. Esta estructura suele ser muy fina, de este modo se facilita su posterior desprendimiento del cuerpo de la pieza una vez que la impresión ha finalizado.

• División: otra posibilidad es dividir la pieza en distintas partes. En este caso tendremos que ser conscientes de que se abren otras posibles dificultades, como puede ser la posterior adherencia entre los objetos impresos. Cada material (sí, hay distintos tipos de materiales que también explicaremos en esta entrada ?) responde de forma distinta ante distintos adhesivos.

Ventajas y desventajas

¿Ventajas?, las principales son:

• Flexibilidad y prototipado rápido: permite realizar prototipos de productos con muchísima facilidad.
• Reducción de costes: requiere una inversión inicial pequeña, y muy poco mantenimiento. Los costes de producción son lineales (si partimos de un modelo virtual de coste 0).
• Personalización: posibilidad de realizar tus propios objetos de forma personalizada y exclusiva.
• Fomenta la creatividad

Pero no todo iba a ser de color de rosas, y como era de esperar también existen desventajas:

• Usos malintencionados de la tecnología: existe la posibilidad de crear objetos tales como armas de fuego.
• Vulneración de los derechos de autor: la réplica de objetos con copyright será difícil de controlar, ya que esta tecnología permite realizar una copia de cualquier objeto.
• Disminución de puestos de trabajo: pese a que esta desventaja es muy relativa, la elaboración propia de los productos podría conllevar menos puestos de trabajo en la manufactura.

Partes principales

Aunque una impresora 3D está compuesta una gran variedad de distintas piezas, vamos a simplificarlo y dividirla en 4 partes principales:

• Estructura: disponer de una estructura robusta evita la transmisión de vibraciones durante el proceso de impresión. Esto es importante, ya que las vibraciones podrían ocasionar una reducción de la velocidad, o una peor calidad de impresión.
• Extrusor: es el ‘pincel’ de la impresora 3D. Se pueden diferenciar dos partes. Una boquilla que se calienta y tiene como misión principal fundir el material, y un sistema de engranajes que empuja el filamento.

• Superficie de impresión: es la parte que asegura que la pieza a crear quede fijada durante la impresión. Existen superficies que se calientan para añadir adherencia. Lo más común es imprimir sobre un vidrio térmico (vidrio borosilicatado), esto facilita su posterior desprendimiento de la superficie, además de mejorar el acabado de la parte que está en contacto con el propio vidrio.
• Electrónica: es el cerebro de la impresora y la parte encargada de interpretar qué movimientos se deben seguir para crear el objeto, además de controlar distintos sensores de temperatura, ventiladores, velocidades de empuje del filamento…

Materiales

Nos centraremos principalmente en los dos más utilizados:

ABS (acrilonitrilo butadieno estireno): es un derivado del petróleo y por sus características es más difícil de utilizar que el PLA (que veremos en esta sección).

Este material tiene un punto de fusión alto, ya que debe ser extruído a unos ~250º ; además debemos disponer de una impresora con superficie de impresión térmica para poder realizar correctamente el proceso de impresión.

Al llegar al punto de fusión, el ABS desprende gases que en concentraciones altas pueden llegar a ser nocivos. Se puede utilizar sin mayores problemas en casa o en la oficina, pero para evitar las altas concentraciones no se recomienda tener varias impresoras funcionando en un espacio pequeño y sin ventilar.

Su principal ventaja es que puede ser trabajado (agujerear, pintar, pegar…) con extrema facilidad, y el acabado sigue siendo bueno. Además, es extremadamente resistente. Todo esto hace que sea el material perfecto para aplicaciones industriales.

PLA (ácido poli-láctico): es un polímero biodegradable derivado del ácido láctico, y no emite gases nocivos (se pueden tener varias impresoras funcionando en un espacio cerrado sin problema), además hay un rango más amplio de colores (fluorescente, transparente, semitransparente…).

Puede ser utilizado en cualquier tipo de impresora 3D (no necesita una superficie de impresión caliente para adherirse correctamente). Sus inconvenientes respecto al ABS son básicamente dos: no resiste las altas temperaturas (a partir de ~60º comienza a descomponerse) y el postprocesado es mucho más complicado. Se utiliza básicamente en el mercado doméstico.

Los precios de ambos materiales son similares.

Software

La imagen superior ilustra perfectamente el proceso que se sigue hasta conseguir el objeto físico impreso, pero… ¿ya sabes qué es un laminador, un firmware, o qué es STL?, seguro que sí, pero no está de más volver a repasarlo ?.

• STL: es un formato de archivo, pero no sólo eso, es el formato que utilizan los archivos 3D.
• Laminador: es el programa que divide el objeto 3D en capas. Recordemos que la impresora no reconoce archivos en 3D. La impresora reconoce órdenes, generalmente de movimiento, y estas ordenes las genera el laminador a partir del modelo virtual tridimensional.
• GCODE: es otro formato de archivo, pero ojo, no es cualquier formato, es el formato que interpreta la impresora. Son sus ‘órdenes’ de movimiento.
• Firmware: es el sistema operativo de la impresora. Si el microcontrolador es el ‘cerebro’, el firmware es la ‘capacidad de pensar’.

Una vez entendido lo anterior, ya estamos en disposición de interpretar la imagen de cabecera. Como ves, partimos de un objeto 3D virtual (en formato STL), al cual, el laminador que utilicemos convertirá en ‘algo’ interpretable por la impresora. Ese ‘algo’ son órdenes de movimiento en formato GCODE. Gracias al firmware de la impresora, esos datos son procesados y se genera el objeto físico final.

Conclusión

¿Fácil, no? Esta tecnología es sencilla y está al alcance de cualquier persona realizando una pequeña inversión.

Ahora ya sabes qué es, y cómo funciona. Solo te falta ponerlo en práctica ?

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