Impresión 3D de Bajo Costo para la Ciencia, la Educación y el Desarrollo Sustentable Enrique Canessa

Science Dissemination Unit. The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics, Trieste, Italy

canessae@ictp.it

La impresión 3D de bajo costo, a pesar de estar todavía en

su infancia está madurando rápidamente con lo que parece un potencial ilimitado. Con una capacidad de reproducir objetos tridimensionales, desde piezas arqueológicas, superficies matemáticas complejas, hasta prótesis médicas, esta tecnología contiene un futuro promisorio para la ciencia, la educación y el desarrollo sustentable.

La industria de la impresión 3D comenzó a fines de los

años 80 (con algunos experimentos iniciales en los 70), pero el uso de estas costosas máquinas estaba limitado a profesionales. La expansión actual de las nuevas tecnologías 3D se ha beneficiado de la patente expirada para impresión 3D basada en FDM (Fused Deposition Modeling: Modelado por Deposición Fundida) en el cual los objetos se construyen capa por capa utilizando plástico fundido extruido (como se muestra en la figura). Las nuevas tecnologías de la impresión 3D también se benefician del movimiento open source o de código abierto (tanto para el software como para el llamado hardware

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Arduino) y del intercambio libre de archivos digitales en Internet.

Rebanado en un modelo 3D (fuente: Wikipedia)

Con el software de código abierto uno puede encontrar diseños para objetos volumétricos así como las instrucciones de programación necesarias para imprimir dichos objetos. Las impresoras 3D producen objetos utilizando rollos de filamentos hechos del plástico biodegradable PLA (Polylactic acid: Ácido Poliláctico), un material ecológico derivado de la fécula del maíz, o también el ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene: Acrilonitrilo Butadieno Estireno), un polímero derivado del petróleo. Este último es utilizado para construir parachoques de automóviles debido a su dureza y resistencia, y también es usado para las conocidas piezas de Lego. Los filamentos usados en la impresión 3D se funden a 170-250º para crear las múltiples capas que conforman un objeto impreso. El resultado puede ser un objeto como el modelo matemático de la superficie de una botella de Klein, o un ensamblado de cadenas hecho de partes movibles como se muestra en la figura.

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Algunas de las impresoras 3D pueden incluso imprimir sus propios repuestos.

La única limitante de esta “sencilla” tecnología es el espacio reducido de impresión del que aún se dispone (comúnmente 20x20x20cm) debido al bajo precio del equipo. Sin embargo, un objeto 3D de gran tamaño puede, en principio, fabricarse a partir del ensamblaje de partes más pequeñas. Otro gran beneficio es que el proceso completo produce menos materiales de desecho que la

manufactura tradicional en la que una gran cantidad de material se recorta de la pieza que se va a utilizar.

Las impresoras 3D portátiles pueden fabricar productos y piezas de repuesto personalizadas bajo demanda para ensamblarlas como se necesiten y en muy poco tiempo. La impresión de objetos pequeños y complejos puede tardar menos de una hora y los resultados son asombrosos: fuertes, difíciles de romper, ligeros (pesan unos pocos gramos) y razonablemente baratos porque el precio del PLA hoy en día es de unos 30 $/Kg, y con esta cantidad se puede crear una docena o más de objetos pequeños.

Botella de Klein inmersa en un espacio 3D

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De hecho, sus variadas aplicaciones y su bajo costo hacen que la impresión 3D sea una tecnología de acceso masivo. El precio de la nueva generación de impresoras 3D basadas en hardware libre está entre los 300-1.500 US$, y pueden comprarse en Internet. Gracias a su gran adaptabilidad, estas impresoras pueden usarse para imprimir objetos en casa, en pequeños laboratorios en las universidades o en los colegios para generar material educativo sin necesidad de invertir grandes cantidades de dinero. La impresión 3D abre oportunidades novedosas como nunca antes para la producción creativa y el prototipado.

Cadenas en el espacio sin junturas

La esperanza es que esta tecnología de avanzada abra nuevas dimensiones para la educación científica y tenga un gran impacto en los países en desarrollo. Su precio asequible además de la cantidad de ejemplos de código abierto disponibles gratuitamente (normalmente en formato “.STL”)

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hace que las impresoras 3D más nuevas sean una tecnología atractiva para países de bajos ingresos.

Laboratorio de impresión 3D @ ICTP

En febrero de 2013, El Centro Internacional de Física Teórica “Abdus Salam” (ICTP) de Trieste, Italia, inauguró su Laboratorio de impresión 3D para promover, asesorar y entrenar a los investigadores en el uso de esta tecnología nueva y asequible. Para enfatizar la capacidad de estas impresoras para fabricar objetos utilizables, el director del ICTP, Fernando Quevedo, cortó la cinta de inauguración del laboratorio con unas tijeras impresas en una de las impresoras del laboratorio.

El Director del ICTP, F. Quevedo, inaugura el Laboratorio de Impresión

3D usando tijeras impresas en el laboratorio

El innovador laboratorio se ha concebido como un espacio amable y moderno abierto a la creatividad. Se dedica a explicar y mostrar a los no expertos lo que las impresoras 3D pueden hacer en el campo de la ciencia, la educación y el desarrollo sustentable.

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Cortadores de galletitas impresos para la inauguración

El Laboratorio de Impresión 3D aspira a jugar un papel importante como punto central de apoyo a científicos y para el entrenamiento de audiencias-objetivo incluyendo estudiantes de secundaria. Otra meta es la de inspirar creatividad e incorporar ideas nuevas a la educación y a la investigación, así como crear nuevas comunidades alrededor del concepto de impresión 3D.

Ensamblado de una impresora nueva en el

Laboratorio de Impresión 3D del ICTP

 

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Impresión de unas tijeras utilizando plástico biodegradable

Experimentos con dimensiones: una imagen 2D reconstruida como un

objeto 3D

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Imagina y crea tus propias impresiones 3D

Esta revolución de la impresión 3D se está moviendo a gran velocidad a escala global por sus múltiples ventajas y precios asequibles. Desde la educación a la salud, desde la arqueología a la ingeniería, las impresoras 3D están teniendo numerosos impactos prácticos alrededor del mundo. Esto abarca desde producir prótesis en cualquier sitio y momento (piernas, brazos, manos, etc. a la medida para enseñar a los estudiantes sobre el cuerpo humano), hasta imprimir células de la piel directamente sobre una herida; o imprimir monturas de lentes (que a menudo se rompen más que los mismos cristales).

En el aspecto educativo, los científicos pueden imprimir objetos 3D basándose en fórmulas geométricas para visualizar mejor las estructuras complejas. El conocimiento conceptual puede beneficiarse de las capacidades de la tecnología de la impresión 3D para fabricar objetos maleables acortando el tiempo que se emplea entre el diseño de una solución específica y la evaluación del resultado obtenido. Con la tecnología 3D se puede aprender más rápido a través de la práctica y ser más productivos a través de la experimentación.

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Variedad de Calabi-Yau en plástico. Secuencia impresa en el Lab 3D del ICTP (archivo digital proporcionado por O. Knill de la Universidad de

Harvard)

La impresión 3D está revolucionando la arqueología al proporcionar la oportunidad de copiar bajo demanda huesos de especies antiguas y de fósiles. Otros objetos de gran valor histórico como tablillas de escritura cuneiforme y monedas también pueden ser duplicadas. Esto da un significado totalmente nuevo a la (re) producción rápida y detallada estimulando la compartición global de aplicaciones arqueológicas 3D de código abierto en los museos y otras instituciones.

La tendencia es tener, en un futuro cercano, impresoras más grandes que puedan producir desde bombas de agua hasta casas con una perspectiva de desarrollo sustentable. El costo de envíos hacia algunos países en desarrollo es a menudo prohibitivo; sin embargo, el simple envío y descarga de pequeños paquetes de datos con el código de software necesario (como archivos de e-mail, audio, imagen o video), permite que algunos objetos 3D útiles en el mundo en desarrollo, como repuestos para máquinas de coser para la producción de vestidos puedan imprimirse en el lugar que los necesiten a un precio razonable.

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Los científicos de los países en desarrollo pueden fácilmente adaptar esta tecnología 3D novedosa y asequible en sus países de origen. El desarrollo de la impresión 3D vale la pena en tanto que ofrece la posibilidad de convertir a los usuarios desde consumidores a creadores activos.

Réplica 3D de un cráneo fósil

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Glosario de Impresión 3D Fuente:

http://www.reprap.org/wiki/Glossary http://wiki.solidoodle.com/glossary

ABS

Acrilonitrilo Butadieno Estireno (Acrylonitrile Butadiene Styren) Es un termoplástico usado como material para impresión 3D. El término se usa a menudo como la forma abreviada ABS para referirse al filamento hecho de ABS.

Lecho / cama

La plataforma de construcción de la impresora 3D sobre la que se fabrican las piezas.

CAD

Diseño Asistido por Computadora (Computer-Aided Design): software para modelado en 2D y 3D.

Carruaje

La pieza móvil del eje-x de Mendel que sostiene el extrusor. A menudo se conoce como la etapa x.

Extruir (también existe la forma extrudir)

La acción de fijar el material de fabricación sobre la plataforma de construcción, normalmente por calentamiento del termoplástico hasta el estado líquido y de expulsarlo a través de una pequeña boquilla.

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Extrusor

Grupo de piezas que se encargan de alimentar y extruir el material de fabricación. Consiste de dos ensamblados: un extremo frío que hala y alimenta el termoplástico desde el rollo y un extremo caliente que funde y extruye el termoplástico.

FDM (igual que FFF)

Fabricación o Modelado por Deposición Fundida (Fused Deposition Modeling). Igual que Fabricación por Filamento Fundido.

FFF

Fabricación por Filamento Fundido (Fused Filament Fabrication). Cuando una gota de material (plástico, cera, metal, etc.) es vertida sobre o a lo largo del mismo material y se forma una unión (por calor o adhesión).

Filamento

Dos usos: a) material plástico convertido en hilos (a menudo de 3 mm) que se usan como materia prima en las impresoras 3D; b) material plástico extruido (a menudo < 1 mm)

Código G / g-code

La información que se manda por cable desde un PC a la mayoría de las máquinas de control numérico (CNC) –incluidas las impresoras 3D– está en Código G. Mientras que en principio cualquier ser humano podría escribir directamente instrucciones en Código G para una impresora 3D, la mayoría prefiere usar uno de las muchas aplicaciones de CAM que leen archivos STL y lo convierten a líneas de Código G para enviar por cable, o a través de una memoria externa tipo SD, a la

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máquina. Algunos investigadores están desarrollando alternativas al Código G.

Plataforma caliente

Una superficie de trabajo que se calienta para evitar que la base de una pieza extruida se enfríe (y por lo tanto se encoja) demasiado rápido. El encogimiento produce tensiones internas en las piezas impresas. El resultado más común es que las esquinas de las piezas se levanten de la superficie de trabajo. Las plataformas o camas calientes ayudan en la producción de piezas de mejor calidad.

Extremo caliente

Las partes del extrusor que se calientan lo suficiente como para fundir el plástico o, potencialmente, otros materiales. Las piezas del extremo caliente utilizan materiales que pueden soportar temperaturas de hasta 240ºC (para la extrusión de termoplástico común). El extremo caliente normalmente se refiere a la punta del extrusor ya que es el punto que está más caliente.

Relleno

Es el interior de la pieza ya impresa. El relleno puede estar hecho con varios patrones y generalmente hace que se ahorre en los costos del filamento respecto a una pieza sólida.

Proporción de relleno

Es la proporción de material sólido para rellenar. Esta proporción determina que tan “sólida” resultará la pieza.

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Cinta de Kapton

Es una cinta adhesiva de poliamida resistente al calor. Se usa para asegurar el elemento que se calienta al cilindro de extrusión. También puede usarse en la superficie de la plataforma caliente.

.OBJ

Un formato de archivo o extensión que define una geometría 3D como un conjunto de datos simples e incluye sólo la posición de cada vértice.

Paramétrico

Que es ajustable en todas las dimensiones. Un modelo paramétrico es aquel que puede redimensionarse y/o distorsionarse según las necesidades del usuario. En un programa CAD, si un artefacto tiene un agujero de 1 cm, ese agujero puede seleccionarse y reducirse a 5 mm, a diferencia de una malla triangular (ver .STL) que es más difícil de modificar. El formato nativo de algunos paquetes de programas muy útiles pueden almacenar modelos paramétricos.

PLA

Ácido poliláctico (Polylactic acid). Un polímero termoplástico biodegradable utilizado como material de construcción en 3D. PLA se usa como forma abreviada para referirse a los filamentos hechos de PLA.

Balsa

Una técnica empleada para evitar deformaciones. Las piezas se construyen sobre una “balsa” de material desechable, en lugar de hacerlo directamente sobre la superficie de impresión. La

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balsa es más grande que la pieza y por lo tanto tiene más adhesión.

RP

Prototipado rápido (Rapid Prototyping). Crear un objeto en pocas horas en la impresora 3D en vez de encargarlo a una tienda de modelado que puede tardar varios días o semanas.

RepRap

Una máquina RepRap es una máquina de prototipado rápido que puede fabricar una cantidad importante de sus propias piezas. El proyecto RepRap busca construir una máquina RepRap autoreplicable para escritorio.

Rebanado

El proceso de convertir modelos 3D en un formato comprensible para las impresoras 3D. El modelo se subdivide o se “rebana” en capas para ser fijadas por el extrusor.

SLS

Sinterizador Selectivo por Láser (Selective Laser Sintering)

Proceso aditivo de fabricación que funde materiales fotosensitivos en polvo por medio de un láser para formar objetos sólidos. Ofrece una gama amplia de materiales para impresión.

Motor de paso

Motor que funciona por incrementos discretos de rotación. Este es el tipo de motor más usado en impresoras 3D de bajo costo.

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.STL (eSTereoLitografía)

Un formato de archivo o extensión recomendado para describir objetos 3D. Un programa de diseño (CAD) puede generar un archivo STL que luego puede ser enviado a una impresora 3D o a un programa para renderizar gráficos 3D.