Impresión 3D de Bajo Costo para la Ciencia, la Educación y el

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
[email protected]
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
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.
2 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
Botella de Klein inmersa en un
completo produce menos
espacio 3D
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 $/Kg, y con esta cantidad se puede crear una
docena o más de objetos pequeños.
3 De hecho, sus variadas aplicaciones y su bajo costo hacen
que la impresión 3D sea una tecnología de acceso masivo. El
precio de la nueva generación de impresoras 3D basadas en
hardware libre está entre los 300-1.500 US$, 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”)
4 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.
5 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
6 Impresión de unas tijeras utilizando plástico biodegradable
Experimentos con dimensiones: una imagen 2D reconstruida como un
objeto 3D
7 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.
8 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.
9 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
10 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.
11 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
12 máquina. Algunos investigadores
alternativas al Código G.
están
desarrollando
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.
13 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
14 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.
15 .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.
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