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22 de octubre de 2018
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Impresión 3D. Hágalo usted mismo
Foto: hopsalka/Shutterstock

Impresión 3D. Hágalo usted mismo

Oscar Salvador Miyamoto Gómez

La manufactura aditiva, mejor conocida como impresión 3D, marcará el ritmo al que se diseñan, construyen y distribuyen los bienes materiales que aprovechamos diariamente. Esta tecnología podría poner en marcha una nueva revolución industrial.

Es probable que en poco tiempo haya impresoras tridimensionales instaladas en tu hogar, escuela o trabajo. Estos robots industriales te permitirán construir en cuestión de horas prácticamente cualquier objeto que hayas diseñado en una computadora; por ejemplo, el armazón de unos anteojos, una maqueta arquitectónica o el prototipo de un avión.

Además de usarse con fines domésticos, didácticos y comerciales, esta tecnología sería de utilidad durante emergencias en lugares inhóspitos. Las impresoras podrían instalarse en remolques o en embarcaciones para asistir el ensamblaje de artículos personalizados acordes a cada situación, como férulas ultraligeras, repuestos mecánicos, prótesis anatómicas, cascos e instrumentos quirúrgicos.

Así como las fotocopiadoras nos permiten reproducir libros enteros sin tener que recurrir a una voluminosa imprenta, las impresoras 3D hoy ya hacen posible reproducir ciertos objetos sin la necesidad de una fábrica, líneas de ensamblaje ni grandes cantidades de mano de obra. Conforme evolucionan sus diseños y disminuyen sus costos, estas máquinas programables son cada vez más prometedoras para la industria manufacturera, como lo fue la máquina de vapor hace 230 años.

De la pantalla a tus manos

Las impresoras tridimensionales son robots que emplean una o más técnicas de manufactura aditiva (ver recuadro), la cual consiste en materializar objetos depositando el material capa por capa, desde la base hasta la parte superior. Es un proceso comparable a la formación de estalagmitas que, gota a gota, adquieren volumen por la superposición paulatina de minerales. En lugar de cartuchos de tinta y paquetes de papel, las impresoras 3D se alimentan de repositorios y dispensadores de plásticos, resinas, arcilla, cerámica, metales, vidrio y hasta chocolate. En vez de leer archivos convencionales de texto o imagen, estos dispositivos siguen las instrucciones de archivos de diseño asistido por computadora (CAD, por sus siglas en inglés). Los archivos CAD son modelos virtuales que se pueden construir y editar por medio de software (por ejemplo, SolidWorks, Inventor, Rhinoceros y Blender), pero también pueden adquirirse mediante escáneres especiales que capturan la información geométrica de objetos ya existentes.

Las bases tecnológicas de la manufactura aditiva fueron publicadas en 1981 por el ingeniero japonés Hideo Kodama, del Instituto Municipal de Investigación Industrial de Nagoya. Las primeras impresoras 3D se diseñaron para fabricar rápidamente mini-prototipos. Las de hoy producen piezas completamente funcionales; desde el fuselaje de un drone (vehículo aéreo no tripulado, ver ¿Cómo ves? No. 199) hasta viviendas urbanas.

En enero pasado la empresa china WinSun Decoration Design Engineering imprimió un edificio de cinco pisos. Las paredes del inmueble (hechas con 'tintas' de fibra de vidrio, acero, cemento y agentes endurecedores) fueron depositadas en un solo día por cuatro impresoras de extrusión (cada una de 6.6 metros de alto y 10 de ancho). Los muros del inmueble son 50% menos pesados que el concreto, pero más resistentes e impermeables, características que sin el diseño computarizado no habría sido posible obtener.

A diferencia de los métodos tradicionales de fabricación o manufactura sustractiva, la impresión 3D crea objetos sin necesidad de moldes, tornos, sierras u otras herramientas. Se estima que en 2020 estos robots serán lo suficientemente avanzados como para construir grandes volúmenes de productos en muy poco tiempo. Hoy ya existe un método experimental de impresión 3D que forma objetos en sólo 10 minutos. La técnica fue desarrollada por Joseph DeSimone, químico de la Universidad de Carolina del Norte, Estados Unidos.

La revolución que viene

La impresión 3D traerá una revolución industrial en el sentido de acortar y abaratar las cadenas de suministro. Por ejemplo, si uno no diseña sus propios artículos, podría comprar en línea y descargar archivos creados por algún proveedor para imprimirlos por su cuenta. Así sería más barato hacernos de una vajilla, la suela de un tenis deportivo o la carcasa de un celular porque no estaríamos pagando sus costos de ensamblaje, empaquetado, almacenamiento y distribución.

En el presente las impresoras 3D más avanzadas son de origen europeo o estadounidense, y pueden costar alrededor de cinco millones de pesos, como la Objet500 Connex3 (de Stratasys). En cuanto a modelos nacionales, éstos se han comercializado recientemente y sus precios van desde 5 000 pesos (como la Colibrí HOME, de InterLatin) hasta 20 000 pesos (como la 3D MM1, de MakerMex). Se estima que los aparatos se harán más asequibles conforme aumente la competencia regional de fabricantes. No obstante, quienes no posean una impresora o no tengan acceso a sus materiales, podrían solicitar los servicios de algún centro cercano de impresión 3D. En los últimos años éstos se han popularizado en diversas partes del mundo, incluso en nuestro país, y funcionan como los centros de fotocopiado y cibercafés. Son establecimientos donde los clientes transfieren sus archivos CAD a las impresoras rentadas y especifican las características que ha de tener el objeto final, tales como color, dimensiones, densidad, combinación de materiales y resolución (ésta se mide por el grosor milimétrico de cada capa impresa).

La impresión 3D promete hacer con la industria manufacturera lo que Internet ha hecho con el acceso a la información. Es decir, es una herramienta que tiene el potencial de promover la innovación científica, la creatividad artística y la difusión de conocimientos tecnológicos. En estas circunstancias, las empresas que adopten mecanismos aditivos para crear sus productos ya no se beneficiarán de la fabricación masiva de unos cuantos modelos; para conservar su competitividad las compañías tendrán que diseñar digitalmente tantas variantes de sus mercancías como exijan los clientes.

La impresión 3D podría favorecer una dinámica parecida al modelo artesanal europeo que precedió a la primera Revolución Industrial. Esto es, en vez de centros comerciales y fábricas que concentren a cientos de trabajadores y toneladas de inventarios, abundarían los talleres domiciliarios que surtan localmente encargos de manera personalizada y rápida. Con este nuevo estilo flexible de producción las compañías podrían dedicarse exclusivamente a crear diseños tridimensionales y programas de modelado virtual. Por otro lado, las firmas podrían pertenecer a múltiples giros comerciales mientras su catálogo de productos requiera las mismas sustancias para imprimirse.

Tus deseos son órdenes

1. Estereolitografía (patentada en 1986 por Charles Hull, fundador de 3D Systems, Inc.). Mediante un haz de luz ultravioleta se solidifican las partes deseadas de una resina líquida que está contenida en una tina. Este proceso es similar a la polimerización de las resinas dentales al exponerse a ciertas frecuencias de luz. Su ventaja es que el desperdicio de material es mínimo.

2. Sinterizado selectivo por láser (patentado en 1989 por Carl Deckard, estudiante de la Universidad de Texas, en Austin). Un láser fusiona las áreas seleccionadas de un bloque de polvo precalentado, el cual puede componerse de nailon, poliestireno o vidrio. Aunque hay una pérdida aproximada del 30% de la materia prima, se logran objetos con gran resistencia mecánica y térmica.

3. Extrusión de material (patentada en 1992 por S. Scott Crump, fundador de Stratasys Ltd.). Esta variante, también denominada "modelado por deposición fundida", utiliza una boquilla para derretir y depositar filamentos de metal o de plásticos ABS (material resistente con el que se hacen los bloques LEGO). Funciona como una duya para decorar pasteles.

4. Impresión 3D a color o proyección aglutinante (patentada en 1993 por un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts encabezado por Emanuel Sachs). A diferencia de las técnicas anteriores, permite obtener objetos de varios colores a la vez. Esto se logra mediante un cabezal similar al de una impresora convencional, el cual superpone pigmentos y capas de un aglutinante líquido sobre una cama de polvo compactado que sirve como materia prima. Al finalizar se extrae la pieza y se retira el material pulverizado que no se fusionó.

5. Impresión multimaterial o PolyJet (técnica comercializada desde 2014 por la empresa estadounidense Stratasys). Utiliza como base las técnicas de extrusión de material y de impresión 3D a color. Sin embargo, su cabezal de boquillas múltiples puede construir objetos de tres materiales diferentes (de una lista de 20) y tres colores a la vez. Su ventaja es que permite manipular con precisión el grado de translucidez, rigidez, flexibilidad y resistencia térmica de sus esculturas.

Entre la anarquía y la innovación

En mayo de 2013 se disparó la primera arma de fuego creada en parte con manufactura aditiva. Las 17 piezas del artefacto (excepto una parte metálica y las municiones) fueron diseñadas e impresas por Cody Wilson, a la sazón estudiante de derecho de la Universidad de Texas, en Austin. Ese mismo mes Wilson, fundador de la comunidad virtual Defense Distributed, subió a Internet el archivo CAD de la pistola, a la que llamó "Liberator". En un par de días el diseño fue descargado por 100 000 internautas de varios países. Aunque ensamblar y acondicionar el arma (hecha a base de plástico) requiere conocimientos técnicos en explosivos, éste es un ejemplo que pone de manifiesto la urgente necesidad de reglamentar las aplicaciones de la impresión 3D.

En este sentido, empresas como Create It REAL, de Dinamarca han implementado software que identifica armas e impide fabricarlas. Pero, ¿qué pasaría si los usuarios pudiéramos construir y personalizar nuestras propias impresoras? En 2005 el ingeniero mecánico Adrian Bowyer, del Reino Unido, concibió el proyecto RepRap, el cual consiste en desarrollar impresoras 3D capaces de auto-replicarse. Esta clase de máquinas ya pueden confeccionar hasta el 40% de sus piezas (exceptuando las partes metálicas, el motor y los circuitos), y se alimentan de bobinas que almacenan filamentos de plástico cuyo valor ronda los 500 pesos por kilogramo. Debido a que su ensamblaje y programación requiere experiencia avanzada en robótica, las tiendas virtuales ya ofrecen por 15 000 pesos modelos RepRap completamente ensamblados, como la Prusa i3. Se estima que en un par de años el mercado global de impresoras 3D alcanzará un valor de 95 000 millones de pesos, cantidad comparable a lo que costó el Gran Colisionador de Hadrones (ver ¿Cómo ves? No. 114).

Como en el caso de la industria musical, filtrar archivos sin autorización (de tipo CAD en este caso) comprometería la propiedad intelectual o copyright de sus autores y compañías. Una violación similar sucedería al momento de escanear y digitalizar utensilios patentados, así fuera tan solo una de sus piezas. Aunado a esto, las monedas digitales como bitcoin (dinero virtual) facilitarían la comercialización anónima e instantánea de diseños clonados en la web. Firmas estadounidenses como Authentise ya emplean candados digitales que permiten vender y distribuir diseños a las impresoras 3D de los clientes sin tener que compartir los archivos originales. Este sistema de transmisión de datos es monitoreado cada segundo para evitar que los hackers quebranten su código informático. Considerando estas vulnerabilidades legales, las empresas de manufactura aditiva tendrán el reto de vender servicios y bienes que no puedan ser pirateados, o bien que sean tan económicos y fácilmente accesibles que no valga la pena falsificarlos.

Esculpir el futuro

La frontera actual de la manufactura aditiva es la impresión 4D, o impresión en cuatro dimensiones. Ésta consiste en diseñar y materializar objetos cuyas estructuras no sean definitivas y puedan evolucionar con el paso del tiempo. La técnica, que aún está en fase experimental, requiere materiales inteligentes, o capaces de reaccionar de manera automática a las condiciones físicas y químicas del ambiente. Un ejemplo de estos materiales son los polímeros piezoeléctricos, que reaccionan a la presión y la tensión generando electricidad.

Los científicos del Laboratorio de Auto-Ensamblaje del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Estados Unidos, definen un objeto impreso en 4D como aquel cuyas partes desordenadas, al interactuar entre sí, pueden configurarse ante estímulos externos (humedad, campos electromagnéticos, vibración, cambios de temperatura, etcétera). En 2013 dicho centro de investigación dio a conocer músculos artificiales hechos de hidrogel (una clase de polímero afín al agua), que se expanden o contraen abruptamente en presencia de humedad o energía eléctrica. A partir de estos materiales se han impreso dispositivos robóticos parecidos a esculturas de origami que se doblan sin necesidad de microprocesadores, motores ni baterías.

A partir de esa innovación que aprovecha la energía ambiental, los expertos en materiales, nanotecnología y manufactura aditiva han visualizado que en las décadas siguientes podrían imprimirse llantas que se estríen o expandan conforme el terreno lo requiera, trajes corporales que aumenten la fuerza física de sus usuarios y techos cuyas tejas se reconfiguren dependiendo de las condiciones climáticas.

También se pueden crear con impresión 3D patrones de alta complejidad que sería imposible fabricar de otra manera; por ejemplo, estructuras ultrarresistentes inspiradas en los panales de las abejas, o tuberías más eficientes parecidas a vasos sanguíneos. Esta ventaja computacional es de suma utilidad para los científicos que actualmente buscan imprimir armazones biocompatibles que, revestidos con células madre, podrían volverse órganos funcionales para trasplantes.

México a la vanguardia

En América Latina los proyectos más avanzados de impresión 3D se realizan en el MADiT (Laboratorio Nacional de Manufactura Aditiva, Digitalización 3D y Tomografía Computarizada), el cual se ubica en el CCADET (Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico). Dicho laboratorio de la UNAM presta servicios e infraestructura a estudiantes y emprendedores que deseen aprender, investigar y aplicar esta tecnología robótica para aplicaciones paleontológicas, automovilísticas, biomédicas y de otros tipos.

Por ejemplo, unos especialistas del MADiT y de la Unidad de Prótesis Maxilofacial del Servicio de Oncología (en el Hospital General de México Dr. Eduardo Liceaga) ya emplean la técnica de modelado por deposición fundida en la fabricación de implantes para pacientes con cráneos dañados por golpes fuertes o por tratamientos contra el cáncer.

El primer paso del procedimiento consiste en realizar una tomografía computarizada (técnica médica e industrial de visualización basada en rayos X, ver ¿Cómo ves? No. 181) para digitalizar las formas y densidades de las zonas óseas deterioradas. Esos datos se usan para diseñar e imprimir un molde que se rellena con una resina fotopolimerizable llamada polimetilmetacrilato. El resultado es una prótesis transparente, de precisión milimétrica y de bajo precio, que no interfiere con los estudios de rayos X, a diferencia de las prótesis tradicionales de titanio, que pueden costar alrededor de 18 000 pesos. Además de crear en un mismo día piezas que antes tomaba hasta 15 semanas confeccionar, esta técnica permite prescindir de acrílico, tornillos y costuras que usualmente se necesitan para fijar prótesis metálicas.

Esto es sólo una muestra de las posibilidades de esta tecnología, e ilustra por qué se está impulsando la investigación científica y el desarrollo industrial de esta clase de robots. El diseñador Ed Johnston, profesor de la Universidad Kean, y la socióloga Chelsea Schelly, profesora de la Universidad Tecnológica de Michigan, han impartido talleres en los que prueban que los programas de diseño CAD y las impresoras aditivas afianzan y diversifican el aprendizaje en carreras como ingeniería, matemáticas, artes plásticas y diseño. Antes de que la impresión 3D se vuelva un factor de peso en el crecimiento económico y la competencia tecnológica de los países, está por verse si será incorporada en el currículum escolar de las nuevas generaciones de profesionistas, como ocurrió con las computadoras personales hace unas décadas.

Más información

  • Vazhnov, Andrei, Impresion 3D: Cómo va a cambiar el mundo, Baikal, 2013, [libro gratuito en línea]: http://institutobaikal.com/libros/impresion-3d/
  • Lipson, Hod y Kurman, Melba, La revolución de la impresión 3D, Anaya Multimedia, Madrid, 2014.

Oscar Salvador Miyamoto Gómez es licenciado en comunicación de la UNAM especializado en semiótica. Ha ejercido el periodismo de ciencia desde 2011. Actualmente estudia la maestría en comunicación en la Facultad de Ciencias Políticas y Sociales.

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