La impresión 3D: El soporte de la industria inteligente

Impresión 3D

Los sistemas productivos industriales, mantenidos hasta la fecha bajo las premisas de la producción en cadena y la globalización están empezando a mostrar  su debilidad y dejan la puerta abierta a alternativas como la impresión 3D.


Uno de los pilares de las Smart Cities es el de la logística y el del aprovisionamiento de bienes de consumo tanto para las infraestructuras como para las personas que habitan las urbes.

Los sistemas productivos industriales, mantenidos hasta la fecha bajo las premisas de la producción en cadena y la globalización están empezando a mostrar su debilidad y dejan la puerta abierta a alternativas como la impresión 3D.

La impresión 3D no es una tecnología realmente nueva. También denominada “manufactura aditiva”, las primeras referencias sobre modelos “impresos” creados superponiendo capas de materiales de manera sucesiva hasta completar el modelo deseado, data de principios de los años 80, aunque no sería hasta hace unos pocos años cuando la impresión 3D ha saltado a las primeras páginas de los medios tecnológicos o económicos. Desde ciertos foros se ha relacionado la impresión en tres dimensiones con una iteración en el proceso de la producción industrial que hasta ahora estaba basada en los métodos propuestos por personajes de la talla de Henry Ford cuando introdujo la idea de producción en cadena. De momento se trata de un movimiento en continua evolución y con una adopción creciente por parte de profesionales primero, y usuarios más recientemente una vez que los precios de al-gunos modelos ha bajado lo suficiente como para estar al alcance de los presupuestos de los particulares.

La clave de la impresión 3D es la facilidad con la que se puede crear un flujo de trabajo digital, desde el modelado mediante software CAD de los diseños, hasta la materialización de los prototipos o los productos listos para comercializar.

A día de hoy la impresión 3D está lejos de ser esa revolución que desde algunos foros se plantea. Tiene el potencial de serlo, pero aún no es un sustituto de los métodos de producción tradicionales basados en la fabricación en grandes volúmenes y economías de mercado basadas en estadísticas o las leyes de la oferta y la demanda. Presenta inconvenientes como la lentitud en la finalización de los trabajos o las limitaciones en el tamaño de las piezas impresas, aunque las cifras alrededor de la manufactura aditiva no dejan de ser notables. Según analistas como Gartner, el negocio de la impresión 3D moverá 3.100 millones de dólares a nivel mundial en 2016 y 5.200 millones en 2.020. Además, Gartner también habla de reducciones en los precios de las impresoras profesionales, que bajarán de los 2.000 dólares en 2.016. La consul¬tora SmarTech (www.smartechpublishing. com/) predice que para 2.018 la impresión 3D moverá 5.100 millones de dólares, con la referencia de los 1.714 millones a los que ascendió el mercado en este sector en 2.011.

Ahora mismo, las impresoras aditivas profesionales son aquellas que superan los 5.000 dólares de precio, que aún está por encima de lo sensato si se piensa en invertir en una tecnología tan reciente como esta. Aún con todo, ya empiezan a crearse modelos de ne-gocio alrededor tanto de las impresoras propiamente dichas como de los servicios de impresión bajo demanda donde se pueden encargar los modelados físicos de objetos a partir de ficheros CAD sin necesidad de invertir en la compra de una impresora. En el popular portal de crowdfunding KickStarter hay varios proyectos relacionados con este tipo de tecnología. El modelo Form1 de formlabs es posiblemente el más popular y conocido, con casi 3 millones de dólares recaudados y un precio de 3.299 dólares. Puede parecer una cantidad elevada para tratarse de un modelo orientado a un segmento diverso que incluso apunta a entusiastas no profesionales, pero hay que tener en cuenta que emplea una tecnología de elevada precisión y calidad de los acabados como es la estéreo litografía (SLT) usando foto polímeros como materiales. Otro de los reyes de la popularidad es Makerbot Replicator  que ya cuenta con varios modelos diferentes en el mercado incluyendo uno de dos cabezales con un precio de 2.800 dólares. Este modelo emplea la tecnología de extrusión que se basa en la deposición sucesiva de capas de plástico (policarbonato ABS o PLA) fundido que se solidifica al contacto con el aire.

 

Puente 3D

 

Prototipado rápido industrial

La versión industrial de la impresión 3D es el prototipado rápido, donde se emplea maquinaria de cientos de miles de euros en la manipulación de materiales de todo tipo para la construcción de modelos únicos sin necesidad de emplear métodos manuales. La industria aeroespacial o la del automóvil se benefician especialmente de estas tecnologías, en las que es posible construir el modelo a tamaño real de un vehículo en un tiempo comedido con mucha más versatilidad que usando técnicas artesanas.

Los materiales empleados en este apartado son incluso cerámicos dependiendo del resultado que se quiera conseguir.

Fabricantes como General Motors emplean ya este tipo de soluciones para acelerar los ciclos de renovación de sus gamas de vehículos de modo que sea más fácil y económico adoptar nuevas tecnologías y adaptarse a las necesida¬des de la industria y a los gustos del consumidor. En este tipo de aplicaciones se emplean impresoras 3D capaces de manejar tamaños de piezas de gran entidad, así como tiempos de finalización mucho menores que en el caso de los modelos más modestos, capaces de trabajar además, con metales y materiales técnicos de diferentes características. Estas máquinas tie-nen precios elevados de hasta cientos de miles de euros. Pero se amortizan con facilidad gra¬cias a la posibilidad de crear piezas y partes en horas o días, frente a semanas o meses.

Sistemas de prototipado rápido de GM y Lotus con sistemas de 3dSystems

http://www.3dsystems.com/3d-printers/production/overview

El prototipado rápido es realmente el apartado dentro de la impresión 3D que está suponien¬do una revolución industrial ahora. El hecho de poder acelerar las iteraciones en las gamas de productos, como sucede con los vehículos, hace que se fabriquen menos unidades de cada modelo de coche, y al tiempo influye en la for¬ma de diseñar las cadenas de producción d

e modo que sea rentable fabricar menos unidades de cada producto, o que sea posible adaptar las cadenas a diferentes productos.

En arquitectura, se está empezando a usar la tecnología aditiva para construir bloques fun¬cionales para construir edificios usando cemento y mortero. En http://www.buildfreeform. com/ se puede encontrar más información sobre el trabajo que llevan realizando en los últimos años en Loughborough University usando tecnologías de impresión 3D para fabricar par¬tes de edificios capaces de integrar directamente cableados o tuberías en la propia estructura, ahorrando espacio y flexibilizando el diseño a los arquitectos ofreciendo más margen de maniobra para emplear geometrías antaño imposible de construir.

 

  

En España, la empresa de referencia en el mun¬do del prototipado 3D es Sicnova3D, que tras comenzar su andadura en 2007 en Jaén, se ha convertido en la distribuidora oficial de una de las compañías líderes en la impresión con tecnología aditiva en el mundo: 3Dsystems . Recientemente Sicnova3D ha abierto en Pamplona el primer centro integral de impresoras 3D de España. Su director Mikel Arbeloa destaca los tres aspectos que definen este primer establecimiento, único en España: la tienda física donde se puede ver qué tipo de piezas se pueden conseguir con cada tipo de máquina. En segundo lugar está el servicio de impresión 3D bajo demanda, de modo que se pueda en-cargar la impresión de piezas bajo pedido de usuarios y empresas. En tercer lugar está la formación, un área que necesita una atención especial en un momento donde se empiezan a demandar profesionales capaces de manejar herramientas de diseño y CAD para diseñar las piezas y componentes que luego se convertirán en objetos tangibles. 

Otra de las empresas con foco en el segmento profesional es StrataSys, aunque recientemente ha firmado un acuerdo con Makerbot de modo que se integrará dentro de la estructura de Stratasys. Makerbot es una de las impresoras semiprofesionales y para entusiastas que más popularidad han alcanzado en el último año y uno de los modelos más vendidos con tecno¬logía de extrusión y materiales termoplásticos como soporte. StrataSys ofrece tanto impreso¬ras para todo tipo de audiencias y con capaci¬dad para manejar materiales de todo tipo, como servicios de impresión y prototipado en su filiar RedEye (www.redeyeondemand.com)

Galería de fotos de Stratasys en Fickr

La fábrica en casa

Una de las aplicaciones de la impresión 3D que más titulares ha creado es la que relaciona esta tecnología con la mudanza de la producción industrial desde las fábricas a los hogares en un escenario totalmente sensato dentro del contexto de las Ciudades Inteligentes, donde sólo se manufacturarían aquellos bienes y productos necesarios para su uso inmediato, con un ele¬vado grado de personalización. Pero con todo lo romántica que pueda ser esta idea, aún está lejos de ser realidad. Los hogares empiezan a poder permitirse tener una impresora 3D pero únicamente para fabricar bienes y objetos de pequeñas dimensiones y con unos tiempos de acabado para las piezas de muchas horas en los casos de piezas complejas. Se pueden diseñar objetos tales como juguetes, carcasas de móvil, monturas para gafas, bisutería en plástico, pie¬zas de ajedrez, tuercas, posavasos, logotipos, vasos, objetos decorativos, ceniceros o incluso piezas de lego de repuesto o totalmente nuevas. En repositorios online como Thingiverse se pueden encontrar cientos de modelos listos para imprimir o personalizables si el usuario tiene conocimientos de diseño gráfico. Pero este tipo de impresión doméstica no es aún capaz de sustituir a la fabricación industrial.

Lo que sí es más realista es el escenario de centros de impresión locales, en el barrio, que ofrezcan servicios de impresión 3D profesional bajo demanda y que ofrezcan a los habitantes de una determinada zona servicios industriales para fabricar recambios de piezas para electro¬domésticos, vehículos, muebles o incluso para la casa o el edificio. La variante “en la nube” ya existe como en el caso de Sculpteo, que permite enviar el modelo CAD mediante sistemas electrónicos y una vez impreso se envía por mensajería al cliente.

Incluso Amazon o eBay ya tienen su propia área dedicada a la impresión 3D donde se vnden tanto impresoras como consumibles como modelos listos para su impresión. EBay de he¬cho tiene como socios a Sculpteo o MakerBot y ofrece servicios de fabricación de objetos bajo demanda.
Amazon, por su parte, se dedica a la venta de impresoras, consumibles y piezas para impre¬soras 3D en su sección específica para la tecno¬logía de impresión por adición. En ambos casos es una muestra de que la impresión 3D es una tendencia fuerte y consolidada que ha adquirido la inercia necesaria para avanzar a un ritmo cada vez más acelerado.


Aplicaciones de la impresión 3D

Calavera 3DEsta tendencia está reforzada por las aplicacio¬nes de la tecnología aditiva. Desde la industria de la automoción o la aeroespacial, hasta la arquitectura o la medicina. Sin ir más lejos ya se imprimen piezas dentales con un grado de precisión difícilmente obtenible mediante téc¬nicas manuales. Y ya se empieza a hablar de la impresión de órganos y partes del cuerpo como orejas a partir de técnicas similares a las em¬pleadas para fabricar objetos industriales, pero usando materiales biológicos en vez de metales o plásticos. Las prótesis también se empiezan a confeccionar mediante tecnologías aditivas, y a nivel molecular también se empiezan a rea¬lizar trabajos para construir órganos a partir de células madre.

El diseño y aplicaciones artísticas la impresión 3D también tiene un lugar importante, y ya se empiezan a ver trabajos realizados con estas tecnologías. El objetivo es conseguir piezas personalizadas y únicas y con la impresión 3D se puede hacer que cada ciudadano tenga únicamente aquello que él elija adaptado a sus peculiaridades de gusto o ergonomía. La impresión 3D aplicada a los tejidos está empezando a tener un hueco en las pasarelas de moda, con prendas confeccionadas a partir de tejidos impresos. Y en el futuro no será imposible ver cómo la ropa en vez de comprarse en unos grandes almacenes se encarga de forma personaliza¬da. Los escáneres 3D están también mejorando en definición, rapidez y precio, de modo que en unos años será posible tener un escáner 3D para hacer una réplica tridimensional de nuestro entorno y de nosotros mismos. Las tallas ya no serán un problema, y sólo se fabricarán aquellas prendas que necesitemos y se ajusten como un guante a nosotros. En la actualidad ya hay ser¬vicios de confección bajo demanda. En realidad sastres ha habido siempre, pero los “sastres” de ahora son mucho más tecnológicos. Forbes ya habla de movimientos como el de descargar el archivo con el diseño e imprimirlo en el contexto de los e-textiles. En la Paris Fashion Week hubo diseños realizados con impresión 3D que permiten fabricar componentes textiles a partir de materiales técnicos que combinan flexibili¬dad y la suavidad suficiente como para que no resulte incómodo de llevar.

La relación entre la impresión 3D y las Ciudades Inteligentes se encuentra en multitud de aplicaciones que al final redunda en un aprovechamiento más inteligente y óptimo de los r¬cursos. Smart City es un concepto sumamente amplio, pero esta revolución industrial que está empezando con la impresión 3D abre las puertas a un cambio de paradigma extremadamente importante: sólo se fabricará lo que se necesite. Y además, lo que se fabrique podrá ser personalizado y optimizado para prácticamente cada caso particular sin depender de estandarizaciones forzadas por los métodos de producción industrial en cadena. Las cadenas de producción del futuro combinarán sistemas tradicionales con aditivos (no todo se puede “imprimir”) y la velocidad con la que se podrán realizar cambios en las ite¬raciones de productos será de meses en vez de años. O incluso semanas.

Las implicaciones pueden ser realmente serias si se consigue eliminar la “necesidad” de manufacturar en países con mano de obra muy barata, con producciones de decenas de miles de unidades como premisa para que sea rentable poner en marcha la comercialización de un producto. Pasar de ese modelo a otro donde se “imprima” en casa o en la ciudad, bajo demanda y con un correcto ciclo de reciclaje de los bienes y productos que ya no se usen encaja perfectamente dentro de la filosofía “Smart City” y sería un logro deseable para completar todas las piezas del rompecabezas de las ciudades inteligentes como concepto para mejorar nuestra calidad de vida.

Es cierto que la impresión 3D también puede usarse para fabricar objetos tan cuestionables como armas. No hace mucho saltó a la palestra el caso de un modelo de pistola imprimible que se podía descargar desde Internet que puso en jaque a toda la comunidad tecnológica en busca de una ética que al final depende de la ética de las personas, tanto para la impresión 3D como para la confección de drogas de diseño. Pero en conjunto las implicaciones positivas tienen que primar sobre las negativas.


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TIPOS DE IMPRESORAS 3D

Básicamente las diferencias entre distintos tipos de impresoras se encuentran en el tipo de material empleado para la construcción de los objetos y el tipo de técnica que se necesita para conseguir que este material se deposite con la máxima precisión y velocidad en los puntos indicados por el software donde se cargan los archivos CAD con los diseños concretos que se quieren materializar.

IMPRESIÓN MEDIANTE EXTRUSIÓN Es una de las más asequibles y la que está copando el mercado de consumo. El material empleado es un filamento de material termoplástico como PLA o ABS que se funde en el extrusor y se va depositando con una precisión variable dependiendo del tiempo que se quiera invertir en el acabado del objeto. A más precisión, más tiempo se tarda en completar un proyecto. El material es barato con unos 20 € por cada kilo, y las impresoras pueden costar entre 500 € y 3.000 € dependiendo del modelo.

IMPRESIÓN MEDIANTE HILO DE METAL (WIRE) emplea hilo de metal de diferentes tipos que se va fundiendo mediante tecnologías EBM (Electron Beam Melting) de modo que se va creando una estructura determinada por el software de CAD que controla el movimiento del cabezal de deposición del material fundido.

IMPRESIÓN GRANULAR Otra aproximación a la construcción de objetos 3D es la granular. El material de base tiene estructura granular y se deposita en la base de la impresora donde se va a ir formando la estructura. Mediante haces de electrones (electron beam) o láser, se va fundiendo sólo aquella parte del material que formará parte de la estructura final. Y se va bajando la bandeja capa a capa dejando la estructura final al descubierto a medida que el material granular va dejando ver el objeto final. Como materiales se pueden emplear aleaciones de metales, como la de Titanio, acero inoxidable o aluminio.

MATERIAL PULVERIZADO
Un sistema similar basado en inyección de tinta es el que emplea material pulverizado. Se deposita, capa a capa, material pulverizado en las zonas que corresponden al objeto. Se superpone una capa de material adhesivo y encima otra capa de material pulverizado. Al final el material sobrante se elimina sin dificultad quedando sólo el objeto 3D.

POLIMERIZACIÓN MEDIANTE LUZ
Es uno de los más prometedores métodos de impresión. El modelo Form1 emplea esta tecnología que se basa en depositar un foto polímero líquido en la superficie donde se va a construir el objeto en cuestión, y mediante láser u otros métodos de sensibilización del foto polímero hacer que se solidifique. La bandeja con el polímero líquido va bajando al tiempo que el objeto queda colgando hasta que se completa el proceso. El resultado es de una elevada precisión y definición, siendo apto para prototipado de joyas, por ejemplo. El problema es el precio de las resinas empleadas, con un coste muy superior al de los termoplásticos, por ejemplo.


 

PROYECTO CLONE WARS: CONSTRUYE TU PROPIA IMPRESORA 3D

El movimiento de impresión 3D tiene mucho de carácter abierto. Tanto es así que existen recursos en la red donde se pueden obtener instrucciones precisas para construir nuestra propia impresora 3D doméstica con unos precios mucho más económicos que si se comprase un modelo comercial. Además, también se ofrecen aplicaciones de software para manejar las impresoras sin necesidad de gastar dinero en licencias de aplicaciones profesionales.

Uno de los proyectos más completos y activos es el de Clone Wars . En su página y en sus foros se pueden encontrar planos e instrucciones precisas para montar una impresora 3D con unos conocimientos mínimos de electrónica o bricolaje.

Hay tutoriales, bancos de piezas, enlaces a todo tipo de recursos, tales como repositorios de modelos 3D, o incluso tiendas para comprar los materiales que se necesitan para finalizar los modelos tales como varillas metálicas, rodamientos o tornillería.

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