¿Qué es la impresión 3D?

En los últimos años, la impresión 3D ha recibido mucha atención, prometiendo revolucionar la fabricación y cambiando por completo la forma de producir artículos. Como ocurre con muchas tecnologías disruptivas emergentes, gran parte de la cobertura en la prensa popular es exagerada, más parecida a un replicador de Star Trek que a los procesos reales.

Sin embargo, independientemente de que algunas de las afirmaciones más descabelladas resulten ser ciertas, para los diseñadores la impresión 3D ofrece una perspectiva tentadora: la capacidad de producir objetos sin las limitaciones de la fabricación tradicional, la capacidad incluso de fabricar objetos en su escritorio sin los conocimientos tradicionales de fabricación o ingeniería.

Al final de este artículo te habrás introducido en la terminología de la impresión 3D y tendrás una idea de cuál es el mejor método para ti. Primero hablaremos de las tres tecnologías más comunes y luego de algunas opciones para diseñar un modelo.

Tecnologías de impresión 3D

Sería incorrecto pensar en la impresión 3D como una única tecnología. Se trata más bien de un conjunto de tecnologías que siguen una idea común de fabricación aditiva impulsada por software.

Entonces, ¿qué es la fabricación aditiva? Muchas técnicas de fabricación comienzan con un bloque de material y lo eliminan selectivamente hasta que nos queda el objeto deseado. La fabricación aditiva le da la vuelta a esto, empezando con un lienzo en blanco y añadiendo solo lo necesario para el objeto final.

En sí misma, esta fabricación aditiva no es nada especial: un niño que construye castillos de arena en la playa está utilizando la fabricación aditiva. Lo que hace especial a la impresión 3D es el uso de la tecnología digital para obtener un resultado fiable y preciso.

Normalmente, esto funciona cortando un objeto que deseamos crear en secciones finas y construyendo estas rebanadas de una en una, apiladas unas encima de otras. Piensa en la construcción de una pirámide como una serie de edificios cuadrados, cada uno más pequeño que el anterior, apilados para crear una forma 3D.

FDM: Extrusión de filamentos

La primera técnica que vamos a ver es la FDM, Fused Depositional Modelling, o FFF, Fused Filament Fabrication, si queremos evitar los términos de marca. Se basa en la "extrusión" de un filamento de material, es decir, en calentarlo hasta un punto en el que se puede apretar a través de una boquilla, produciendo un filamento aún más fino. Esta boquilla se desplaza sobre una superficie, dibujando el contorno de la rebanada que queremos crear, y luego rellenando este contorno con un patrón de material.

Como el material está caliente mientras se extruye, se une a cualquier filamento ya colocado, formando una rebanada sólida de material. Una vez completado, la boquilla se mueve hacia arriba un poco y comienza a extruir la siguiente capa.

Esta es la técnica que encontrarás en la mayoría de las impresoras 3D para aficionados, normalmente con el material de plástico ABS o PLA. La técnica produce una superficie parecida al "grano de la madera" con ligeros surcos entre cada capa (aunque esto puede eliminarse lijando, puliendo o con vapor de acetona). Una calibración incorrecta de la máquina puede hacer que sobresalgan filamentos en algunos lugares o que se formen manchas de material fundido.

La técnica puede tener problemas con las formas que sobresalen. Como se construye sobre la capa inferior, todo lo que sobresale se extruye sobre nada más que aire. Mientras no tengamos que sobresalir demasiado, el material se sostendrá por sí mismo y no se hundirá demasiado. Sin embargo, las máquinas comerciales solucionan este problema con un material de soporte que se extruye desde un segundo cabezal, construido como un andamio para soportar cualquier saliente que pueda romperse o disolverse después. Hay algunos intentos de aficionados de reproducir esto, pero suelen ser menos fiables.

SLA: Fijación de resinas

La siguiente técnica, la estereolitografía o SLA, se basa en resinas fotosensibles, los fotopolímeros, materiales que pasan de líquidos a sólidos cuando se exponen a la luz (normalmente ultravioleta). Exponiendo cada trozo del objeto en la superficie de una fina capa del líquido con luz ultravioleta (UV), podemos endurecer solo las partes que queremos. Esta resina endurecida se inunda repetidamente con otra fina capa de líquido y luego se expone con luz UV en la forma de la siguiente rebanada del modelo, para dejar una estructura 3D endurecida una vez que escurrimos el líquido.

El método de exposición a los rayos UV difiere: algunas impresoras SLA utilizan un láser, dirigiéndolo sobre la superficie para dibujar la rebanada, mientras que otras utilizan un proyector DLP para exponer toda una capa de una vez.

La SLA produce más fácilmente una impresión más suave y de mayor resolución, pero suele ser más cara. Tiene el mismo problema de los voladizos, y las piezas tienden a construirse sobre un andamio hecho de la misma resina que el objeto construido, lo que hace necesario un poco de lijado de limpieza.

En el mundo profesional de la impresión 3D, muchas impresiones del tipo "modelismo" tienden a utilizar esta técnica, y ahora hay muchos fotopolímeros disponibles que imitan diferentes materiales. Hasta hace poco, las patentes limitaban esta técnica a las máquinas profesionales, pero en los últimos años han aparecido máquinas accesibles a los aficionados y, con ello, también han aparecido resinas más baratas. Dicho esto, la técnica utiliza productos químicos pegajosos con una vida útil limitada, por lo que no creo que vaya a sustituir completamente al FDM en el ámbito de los aficionados.

SLS: Fundir con láser

Las mejores impresoras 3D vuelven a utilizar un láser, pero esta vez a mayor potencia, para fundir o sinterizar polvos (la sinterización es cuando se calienta un material lo suficiente como para fusionarlo, pero no lo suficiente como para fundirlo completamente en un líquido).

Estos polvos pueden ser plásticos de grado de ingeniería, como el nylon, o incluso metales, lo que permite la impresión 3D de piezas adecuadas para la maquinaria. Si ve una noticia sobre equipos de carreras de Fórmula 1 o fabricantes de cohetes que utilizan la impresión 3D, se referirá a este tipo. Son de muy alta resolución y muy resistentes, pero suelen ser bastante caras.

Este tipo de máquinas suelen utilizarse como alternativa a las técnicas tradicionales de ingeniería y, aunque son caras, pueden ser más baratas que las técnicas tradicionales para piezas únicas o pequeñas series de producción.

Otras tecnologías de impresión 3D

Estas tres tecnologías no son en absoluto exhaustivas. Se pueden conseguir impresoras que depositan gotas de cera, produciendo un modelo que puede ser fundido en un molde para metales (a menudo utilizado para joyería). Se puede utilizar una tecnología similar a la de una impresora de chorro de tinta sobre una cuba de polvo, para depositar un aglutinante y pigmentos, haciendo modelos a todo color. O una tecnología muy similar seguida de un esmalte para hacer cerámica (platos, tazas, etc.). Las impresoras 3D, aún más especializadas, pueden depositar materiales biocompatibles para imprimir tejidos vivos para su implantación, objetos a nanoescala para fabricar máquinas diminutas y máquinas gigantes que construyen secciones para la arquitectura.

Materiales de impresión 3D

Para obtener la más amplia gama de materiales, busca un servicio de impresión 3D con una gama de máquinas, por ejemplo la oferta de Shapeway. Tienes a tu disposición una serie de plásticos, metales y cerámicas con diferentes propiedades que se adaptan a lo que quieres hacer.

Excelente, pensará, no hace falta que me importe cómo funciona, siempre que funcione. Pero ahí está el truco: si mira cada material que ofrecen, verá que todos tienen requisitos diferentes, espesores de pared mínimos, tamaños de detalles de superficie mínimos, espacios libres mínimos, etc. Es posible que tengas que ajustar tu diseño para que funcione con el material que estás utilizando.

Si vas en la otra dirección, adquiriendo una impresora 3D para aficionados, estás un poco más limitado, pero no tanto como podrías esperar. Ahora hay una gama de filamentos que funcionan en este tipo de máquinas. Hay filamentos flexibles, filamentos de madera, materiales translúcidos y plásticos con todo tipo de características diferentes.

Sin embargo, hay que tener cuidado: estos materiales suelen requerir un poco de ajuste de las temperaturas e incluso piezas alternativas en la impresora. Sin embargo, a la mayoría de las personas que tienen este tipo de máquinas les gusta jugar con estas cosas.

Modelado para la impresión 3D

Hay dos grandes enfoques para el modelado 3D: el modelado de superficies y el modelado de sólidos.

• El modelado de superficies suele representar un objeto como puntos, aristas y caras.
• En cambio, el modelado de sólidos, como su nombre indica, mantiene una representación del interior del objeto. El modelado de sólidos suele ser más difícil de escribir para el programador y más limitante para el diseñador a la hora de modelar, por lo que la mayoría de los modeladores que solo pretenden renderizar imágenes a partir de un modelo 3D utilizarán un paquete de modelado de superficies. 

Para modelar en 3D, se puede utilizar cualquiera de los dos, aunque hay que tener en cuenta algunas advertencias. Hay que recordar que el software pretende cortar el modelo en secciones y debe saber cuál es el interior y el exterior de esas secciones. Obviamente, un paquete de modelado que represente los objetos como sólidos no tendrá ninguna duda sobre cuál es cada uno, pero el modelado de superficies puede producir archivos en los que no es tan obvio.

Hay un enfoque muy estricto que se debe adoptar para producir archivos válidos con este tipo de software, bastante diferente del enfoque habitual para hacer un modelo para renderizar. En resumen, el archivo tiene que ser "múltiple", es decir, sin caras que se crucen, sin caras internas, sin agujeros, y todos los vértices soldados, no solo muy cerca. El modelo tendría que ser hermético si lo hicieras con láminas de plástico. Intenta seguir esta guía para obtener más detalles.

Así que, a menos que ya tengas experiencia con el modelado de superficies, te sugiero que pruebes con un paquete de modelado sólido. Aunque son menos expresivos, ¡hay menos posibilidades de equivocarse en el primer intento!

Yo suelo utilizar Solidworks, pero es bastante caro. Por suerte, con el auge de la impresión en 3D, han proliferado los paquetes de modelado de sólidos gratuitos. La empresa que produce AutoCAD, otro paquete 3D caro pero muy potente, ofrece algunos paquetes. De ellos, algunos de los más útiles para este propósito son Tinkercad, un paquete básico de CAD basado en el navegador, y 123D Design, una herramienta sin conexión con capacidades similares.

Mi herramienta gratuita suele ser Trimble Sketchup, que es gratuita para uso no comercial, pero necesitarás una extensión para obtener el tipo de archivo adecuado.

Sea cual sea la herramienta que utilices, lo normal es que tengas que acabar con uno o varios archivos stl. Este es un formato de archivo muy básico, pero es el que aceptan la mayoría de las herramientas de impresión 3D.

Cómo producir tu impresión 3D.

¡Así que conoces algunas de las tecnologías, conoces algunos de los programas, tal vez incluso has hecho un archivo, y solo quieres saber cómo imprimirlo ya! Hay varias maneras de hacerlo: puedes invertir en una máquina, puedes utilizar un servicio de impresión 3D o puedes encontrar un lugar donde utilizar una impresora 3D. Cada una tiene sus pros y sus contras.

Comprar tu propia máquina puede suponer una gran inversión, aunque mucho menos que en el pasado. Estarás limitado a la única tecnología que utiliza tu máquina y, por tanto, a uno (o unos pocos) materiales utilizados en esa tecnología. Suponiendo que no estés hecho de dinero y hayas podido conseguir una máquina profesional, puede que tengas que profundizar en la parte técnica de tu máquina si hay que cambiar o recalibrar algo, aunque muchas máquinas para aficionados tienen excelentes comunidades en línea para apoyar esto

Sin embargo, una vez dicho todo esto, tendrás la opción más barata por pieza que quieras hacer, así que si te enganchas podrás fabricar piezas a tu antojo. Además, podrás iterar rápidamente las piezas: si te pasa como a mí, que haces varias piezas para unirlas, te saldrá algo mal la primera vez que las hagas.

Otra opción son los servicios de impresión 3D, ya sea en línea o en tu empresa local de impresión 3D. Esto tiene la ventaja de que no hay costes iniciales (aunque es considerablemente más caro por pieza), y una gama de tecnologías y materiales disponibles. La otra desventaja principal, además del coste, es el tiempo, ya que tendrás que esperar a que la fabriquen y te la envíen. Hay algunos grandes servicios, como Shapeways o iMaterialise, pero hay que comparar y encontrar la solución que mejor equilibrio de precio y rapidez tenga para ti.

La tercera opción es un punto intermedio entre las anteriores, pero depende de encontrar una impresora 3D que puedas utilizar localmente. El movimiento maker ha dado lugar a un montón de espacios maker locales, que pueden tener máquinas disponibles con el coste de la entrada y el material, o incluso solo alguien que esté dispuesto a intercambiar tiempo en una máquina por habilidades de modelado 3D para sus proyectos. ¡Investiga!

O puedes hacer lo que yo hago, y hacer todo esto. Probar rápidamente los modelos en tus propias máquinas, enviar archivos para materiales alternativos e involucrarte con creadores y estudiantes locales para hacer cosas.

Conclusión

Así que ya conoces un poco de la terminología, algunas de las opciones y los pros y los contras de cada una. Ahora sal a imprimir algo interesante en 3D. Asegúrate también de estar atento a futuros tutoriales que profundicen en algunos de los detalles. Si tienes alguna pregunta, publícala en los comentarios.

Para tu primer paso en la impresión 3D, ¿por qué no intentas utilizar un servicio de impresión 3D? Prueba nuestro tutorial sobre la creación de una carcasa de teléfono móvil impresa en 3D.

Crédito de la imagen de vista previa: Seth Woodworth vía Flickr