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De la Edad de Piedra a la Edad de Adición

El trabajo consiste en mover la materia en el espacio.

Bertrand Russell

Desde el alba de la humanidad, había principalmente dos modalidades de producción de objetos: sustracción y moldeo. La tecnología de la Edad de Piedra era de sustracción porque el hombre tomaba un pedazo de silicio y cortaba el material excedente para darle una forma afilada. En este sentido, la taladradora, el torno y la fresadora son tecnologías sustractivas porque en el fondo hacen lo mismo: cortan las partes excedentes para que quede la forma deseada. Miguel Ángel decía que “la estatua ya está adentro del bloque de mármol; sólo hay que liberarla”, y esto capta perfectamente el espíritu del proceso sustractivo que nos ha servido tantos años. Las tecnologías del moldeo han estado con nosotros mucho tiempo también, al menos desde la Edad de Bronce, cuando los humanos empezaron a usar moldes de piedra para crear puntas de lanza y otras armas.

La tecnología de impresión 3D es muy distinta de estas dos modalidades antiguas, y su historia comienza en 1984, cuando el inventor Charles Hull estuvo experimentando con las resinas líquidas que se solidifican con la exposición a la luz ultravioleta. Hull se dio cuenta de que con un rayo de láser uno puede solidificar sólo ciertas partes de la resina, formando una película en la que las partes sólidas representan un corte transversal de un objeto tridimensional. Controlando el movimiento del láser con una computadora, Hull logró desarrollar un sistema que dibujaba el objeto capa por capa en una batea de resina líquida. El rayo trazaba el patrón del corte transversal en la superficie de la resina y, una vez solidificado el patrón, la batea se bajaba un poco para sumergir la capa ya dibujada y empezar a trazar el patrón en la siguiente capa. Así, construyendo una capa sumada a la otra, la máquina de Hull logró imprimir un objeto en tres dimensiones. En 1986, el inventor obtuvo la patente de su nuevo proceso, al que él llamó estereolitografía, y fundó la empresa 3D Systems, que hoy en día está entre las líderes mundiales del mercado de impresoras 3D.

Desde 1986, muchas nuevas tecnologías de impresión 3D fueron inventadas. Existen las que derriten titanio con láser, las que aplican solución adhesiva sobre polvo de plástico o madera, las que usan “tinta biológica” para imprimir órganos y tejidos, o chocolate para imprimir galletitas. Las veremos en detalle más adelante, pero en el fondo todas comparten el mismo principio: construyen productos capa por capa usando distintos procesos de adición de material – resinas, plásticos, titanio, comestibles y muchos otros–. Por eso, el nombre técnico para la impresión 3D es Tecnología de Manufactura Aditiva.

Las tecnologías aditivas usan archivos estándares en el formato STL para guiar a la impresora para que construya el objeto, de la misma forma que usamos archivos en formato “.doc” de Word para imprimir en papel. El formato STL representa el objeto digitalmente, y las herramientas de software permiten al usuario agrandar, achicar, duplicar o hacer otro tipo de modificaciones y ajustes directamente en la computadora. Una vez que el usuario tiene el objeto configurado de la forma deseada, el software lo divide en una serie de capas –efectivamente, una serie de fotos de cada capa– y la computadora guía a la impresora para crear el objeto sumando una capa sobre la otra.

Cambiar sustracción por adición puede parecer un detalle, pero en realidad cambia profundamente la naturaleza del proceso productivo, dándole una gama de ventajas revolucionarias a esta tecnología. También existen ciertas debilidades, algunas porque la tecnología todavía está en etapas tempranas y otras más intrínsecas. Veamos primero las ventajas:

El uso de recursos más económico

Con los procesos de sustracción normalmente perdemos una gran cantidad de material: todo lo que sacamos de una pieza con un torno o una fresadora termina como desperdicio o chatarra en el mejor de los casos. Por otra parte, con la impresión 3D usamos solamente lo que necesitamos. Por ejemplo, con el proceso de estereolitografía descrito arriba, la resina que no fue solidificada por la luz para formar parte del objeto simplemente queda en la batea para ser usada en la próxima impresión. Lo mismo se aplica a los insumos de plástico, biomateriales, polvo metálico y otros materiales usados en distintas tecnologías de impresión 3D. Usar solamente lo necesario, por supuesto, baja los costos de insumos; pero, más importante aún, nos lleva a una economía más sustentable.

La complejidad no aumenta el costo

Agregar complejidad al objeto no implica ningún costo adicional. Para la impresora de papel tradicional, es exactamente igual de fácil imprimir una imagen exquisita de la Mona Lisa que una hoja con un cuadrado negro. Lo mismo se aplica a las impresoras 3D. Por ejemplo, con el proceso de estereolitografía, la impresora dibuja con la luz de láser el patrón proyectado por la computadora. A la impresora no le importa en lo más mínimo si el patrón es un cuadrado, un triángulo, o una imagen de la cabeza de alguien (de hecho, los entusiastas de la impresión 3D se divierten mucho imprimiendo muñecos de sí mismos con el programa de iPhone 123D Catch).

El hecho de que la complejidad no aumente el costo implica cambios revolucionarios para cualquier industria tocada por las impresoras 3D. Si comparamos con las tecnologías tradicionales, la diferencia es chocante: con las tecnologías actuales, cualquier cambio o ajuste que queramos hacerle a una pieza implica pagar más en tiempo y recursos para implementar cada uno. Imaginen una pieza que es un bloque sólido de plástico. Con la modalidad de sustracción o moldeo, tendríamos que cortar el bloque de algún bloque de insumo más grande o crear un molde con el tamaño determinado. ¿Qué pasa si, justo antes de producirlo, tenemos que meter dos agujeros, uno rectangular y otro cilíndrico, en el medio de la pieza? Tendríamos que hacer un nuevo molde más complejo o usar taladros u otras herramientas de sustracción para después sacar el material para crear los agujeros. Y así, con cada agujero, con cada detalle, el costo de producción aumentaría sin límite. Por otra parte, con las impresoras 3D, los agujeros no solo no aumentan el costo, sino que a veces también lo bajan, por el menor uso de materiales.

Control sobre la estructura interior de los objetos

El ahorro en el uso de insumos se da no solo al evitar el desperdicio propio de los procesos de sustracción, sino también –y más importante aún– porque, usando la complejidad sin costo, podemos construir la estructura interior de los objetos de una forma mucho más optimizada para el objetivo del diseñador. En vez de ser sólida por dentro, nuestra Torre Eiffel puede tener en el interior una grilla fina de material calculada por el software con el fin de poner precisamente la estructura y la cantidad de material necesario para darle la rigidez deseada. Esta libertad de diseñar el interior de los objetos según su función mientras se optimiza el uso de insumos, nos dará productos mucho más livianos y nos llevará a una economía con mucho menos desecho.

Posibilidades de diseño jamás imaginadas

Pero las implicaciones de este principio son más profundas aún. Poder controlar la forma de los objetos con una complejidad sin límites abre nuevas posibilidades de diseño nunca imaginadas antes. Para tomar un ejemplo muy sencillo, ¿qué tal si quisiéramos imprimir una Torre Eiffel dentro de una esfera con perforaciones muy finitas? Sería un objeto curioso porque se vería la torre adentro sin saber cómo lograron meterla ahí. Y en realidad es imposible crear algo así con técnicas tradicionales. Lo mejor que podemos hacer es crearla parte por parte y juntar las partes después con tornillos o adhesivo. Pero con las impresoras 3D, este tipo de formas imposibles con interconexiones muy complejas son igual de fáciles de producir. Para la impresora 3D, da lo mismo imprimir personajes de Star Wars, alguna miniatura inspirada por M. C. Escher o aburridos sólidos bloques cuadrados.

De hecho, las nuevas posibilidades superan por lejos nuestra imaginación. Por ejemplo, lógicamente hay muchas más maneras de crear una esfera irregular que una esfera perfectamente redonda, al igual que hay muchas más maneras de crear un cilindro curvado que un cilindro recto. Hay muchas más superficies de geometría compleja que de geometría sencilla. Esta variedad de complejidad la vemos siempre en las producciones de la naturaleza donde cada animal y cada planta tiene una forma que no se nos habría ocurrido nunca sin haberlo visto, una forma precisamente adaptada para su entorno y modalidad de vivir. Sin embargo, en los objetos de diseño, de arquitectura, de tecnología que nos rodean normalmente, vemos líneas rectas, superficies redondas y otras formas de geometría regular. Esto es el legado de la época en que la complejidad costaba mucho. Y cuando la complejidad ya no cueste nada, la experiencia actual de estar rodeado de formas que parecen venir de un libro de geometría va a verse como algo del Antiguo Egipto. Nuestras nuevas pirámides ya nunca tendrán aristas perfectamente rectas.

Personalización sin límite

La analogía con la impresora de papel nos puede servir una vez más: podemos también observar que a la impresora no le importa si imprimimos diez copias de la Mona Lisa o cinco de la Mona Lisa y otros cinco de Donald Trump, o un documento con diez fotos distintas. El proceso de la impresión lleva lo mismo en tiempo y recursos en los tres casos. La impresora 3D, construyendo el objeto capa por capa, sigue el mismo principio: no importa si tenemos que imprimir 12 figuritas idénticas de Yoda o 12 figuritas distintas de los primeros 12 emperadores romanos. Por supuesto, un emperador más gordo puede llevar más insumos que uno más flaco, pero lo importante es que de una impresión a otra, la impresora puede imprimir cosas totalmente distintas sin ningún cambio en el hardware. En este sentido es una máquina de fabricación universal.

Por eso, las tecnologías de impresión 3D son ideales para la producción que exige un alto grado de personalización, como, por ejemplo, coronas odontológicas o las prótesis auditivas, donde la forma del producto tiene que ser precisamente ajustada para cada usuario. Este tipo de aplicaciones demuestra el poder real de esta tecnología: la impresora 3D puede estar imprimiendo un cubo de 200 coronas odontológicas, cada una personalizada para una persona distinta, con la misma facilidad que imprime un muñeco del Chavo del Ocho. Sería extremadamente costoso y casi imposible construir un molde tradicional con estas características.

¿Por qué no se inventó antes?

Dadas todas estas ventajas revolucionarias, uno puede preguntarse por qué no inventaron la impresión 3D aún antes. En cierto modo, parece una tecnología bastante sencilla. En vez de imprimir una foto, estamos imprimiendo varias, una arriba de otra. ¿Por qué no se le había ocurrido a nadie? ¿Y por qué después de su invento en 1984, tomó varias décadas para llegar al mercado masivo y a los diarios? Por cierto, no estamos hablando de coches voladores, sino de una tecnología que nació en la época de Star Wars y el Sony Walkman.

Es una pregunta interesante y muy relevante para entender el futuro de la impresión 3D. En realidad, un proceso bien parecido a la estereolitografía ya fue usado por el francés Joseph Niépce en 1822 para crear una imagen del papa Pío VII. Niépce tomó un grabado del Papa papa y lo colocó arriba de una batea con betún. Después de dejar la batea con el grabado arriba expuesto al sol, las partes del betún debajo de las áreas blancas de la imagen se endurecieron, y las partes debajo de las áreas negras quedaron liquidas, y Niépce las pudo sacar dejando la imagen del Papa papa hecha en una capa de betún. En 1956, el inventor Otto Munz había obtenido una patente por un invento casi idéntico al que Charles Hull patentó en 1986. En 1977, un bretón, Wyn Kelly Swainson, obtuvo otra patente muy parecida.

No es sorprendente que varios inventores hayan descubierto lo que hoy llamamos impresión 3D, porque la idea es una extensión bastante directa de la fotografía común, y la máquina de impresión 3D en el fondo es un motor que mueve un cabezal o una plataforma de impresión según la forma del objeto que se va a imprimir. La razón de que el invento que tuvo tracción comercial haya sido el de Hull en 1986 –y no el Swainson en 1977 o el de Munz en 1956– es que la impresión 3D es un proceso que comprende tres áreas distintas e interdependientes, de las cuales la impresora misma es solo una. Las otras dos, igual de importantes, son el software y los materiales, y justamente estas son las áreas que avanzaron rápidamente en la última década y permitieron dar el salto cuántico al desarrollo de la impresión 3D. Es la convergencia entre software, hardware y materiales, que es la fuerza principal de este nuevo mundo, lo que llamamos el triángulo estratégico de la impresión 3D.

triangulo_estrategico

Debilidades de las Tecnologías Aditivas

Por mucho tiempo, las tecnologías de impresión 3D se usaron principalmente para el proceso de prototipado rápido, porque los materiales con los cuales se podía imprimir y la calidad de impresión no eran del mismo nivel que los procesos de producción más tradicionales. Tal vez la limitación más importante en términos de los materiales era que no se podía imprimir con metales, pero en los últimos años esto empezó a cambiar. Recientemente surgieron tecnologías de impresión a partir de titanio, cerámica, aluminio y vidrio, y la resolución de impresión también va mejorando rápido.

Otra debilidad importante es que el proceso de impresión 3D lleva mucho más tiempo en comparación con el proceso de producción tradicional a base de moldes. Esta desventaja todavía no permite el uso de la impresión 3D en la producción masiva. Sin embargo, hay tres aspectos importantes para tener en cuenta: primero, para muchos tipos de negocios la personalización es mucho más importante que la velocidad de impresión; por ejemplo, un taller que arma motocicletas personalizadas para cada cliente o un arquitecto que tiene que imprimir una maqueta del edificio no tienen necesidad de imprimir miles de copias, y muchas veces necesitan solo una. Segundo, las tecnologías de impresión 3D también aumentan la gama de posibilidades para procesos tradicionales, ya que es mucho más rápido armar el molde master con el proceso de impresión 3D que con las técnicas más tradicionales. Por último, con la fabricación a base de nube, que veremos más adelante, el tiempo de la producción no va a tener tanta importancia.