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La Dura Realidad

Después de hablar en detalle de los impactos profundos que las tecnologías aditivas tendrán en las próximas décadas, puede costar volver a la tierra para ver su estado actual. Estamos apenas en el comienzo de la adopción masiva de las impresoras 3D, y las tecnologías aditivas de hoy en día tienen muchas limitaciones importantes, limitaciones que uno tiene que evaluar cuidadosamente para ver si las impresoras actualmente disponibles en el mercado tienen las características necesarias para el propósito específico del usuario. En este sentido, un problema importante es que en los medios se suele hablar de las impresoras 3D como si ya fueran máquinas que pueden fabricar casi cualquier cosa que quieras, pero –al menos por ahora– estamos muy lejos de esto.

Tal vez el mejor punto de partida es el hecho de que no existen las impresoras universales, sino que hay una constelación de tecnologías distintas, cada una con sus propias ventajas y desventajas, y cada una limitada en cuanto a los materiales que se pueden usar en el proceso de impresión. También hay mucha diferencia entre los materiales en términos de estructura, definición, propiedades térmicas, apariencia visual, durabilidad y otras.

Podemos abarcar el proceso de selección de una impresora 3D en función de la interacción entre tres perspectivas:

• Las características de desempeño de las impresoras 3D.

• Las distintas tecnologías de impresión 3D actualmente disponibles.

• Los usos principales de impresión 3D.

Características claves de las impresoras 3D

Los tipos de materiales que se pueden usar

Es importante darse cuenta de una gran diferencia entre la impresora 3D y la impresora tradicional: en la impresora 3D, el uso de los insumos para imprimir un objeto no es nada parecido al uso de la tinta en una impresora de papel. Para imprimir una lámpara que pesa 1 kilogramo, hay que gastar un kilogramo de insumo. Esto puede ser menos que lo que gastarías si tuvieras que crear la lámpara con procesos de manufactura tradicional, pero totalmente distinto de las expectativas que traemos del mundo 2D. Los costos de los insumos pueden ser muy altos, dependiendo del patrón de uso.

Asimismo, es importante evaluar la disponibilidad y confiabilidad de los proveedores de los insumos de impresión 3D. Al ser una tecnología nueva, la logística del suministro no siempre funciona tan bien como uno lo desearía.

El tamaño máximo del área de impresión

Las impresoras de bajo costo (menos de USD 5.000) normalmente tienen un área de impresión de entre 10 y 25 centímetros. Por ejemplo, el modelo MakerBot Replicator, de aproximadamente USD 2.000, maneja dimensiones de 22,4 X 14,5 X 15cm., con un volumen de cámara de impresión de alrededor de 5 litros. Esto es suficiente para imprimir ciertos tipos de repuestos plásticos, juguetes, miniaturas y partes para los proyectos de hobby; pero no alcanzaría para otros propósitos como, por ejemplo, imprimir patinetas.

Las impresoras de uso industrial, como las de Stratasys y 3D Systems, pueden tener cámaras de impresión mucho más grandes. Por ejemplo, Fortus 900mc, de Stratasys, tiene 90 x 60 x 90cm. y cuesta más de USD 100.000; mientras que la empresa belga Materialize produce impresoras enormes con cámaras de hasta 2m., con una tecnología llamada Mammoth Stereolithography, que pueden costar más de 1 millón de dólares.

El alto costo de las impresoras industriales no implica necesariamente que no sea una buena opción. A medida que el mercado de impresión 3D se desarrolle y madure, va a haber cada vez más plataformas como Ponoko.com, que ofrece servicios de manufactura en la nube, donde tú no tienes que tener y manejar tu propia impresora, sino que simplemente envías los archivos digitales para imprimir a una empresa local que se especializa en la manufactura digital. Dada la variedad de tecnologías distintas de impresión 3D y la complejidad de gestionar el suministro de material, en muchos casos, subcontratar la manufactura a una empresa especialista va a ser la mejor opción.

La resolución máxima de la impresión

La típica resolución de impresión 3D es de 0,1mm., aunque algunas impresoras industriales, como Objet Connex, alcanzan la resolución de 16 micrones (0,016mm.).

La velocidad de impresión

Una impresión 3D puede llevar varias horas, con lo cual la velocidad de la impresión es un criterio clave, sobre todo, para el prototipado rápido.

rgin-left:0px; margin-right:0px; -qt-block-indent:0; text-indent:36px;”>El grado de control sobre color

Las impresoras de gama baja normalmente pueden imprimir en un solo color. Algunas te permiten variar el color entre una impresión y otra, cambiando el material. Existen impresoras de alta gama, como las de Z-Corporation, que te permiten imprimir en miles de colores en la misma impresión, pero tienen precios más altos. La capacidad de imprimir en full color puede ser importante para el prototipado conceptual o para una manufactura final. Dependiendo de la aplicación, puede ser más económico usar una impresora de bajo costo y aplicar color después con otro proceso de producción.

El grado de control sobre el material

La mayoría de las impresoras de bajo y medio costo pueden imprimir en un solo material a la vez, pero normalmente se puede cambiar el material entre una impresión y otra. Es importante ver qué tipo de materiales están disponibles en tu país y qué opciones tienes para variar las características de estos materiales. Por ejemplo, algunas tecnologías, como la estereolitografía, te permiten variar la flexibilidad o la transparencia del material. Esto no siempre es importante. Por ejemplo, no lo es cuando el uso principal es el prototipado rápido; pero puede ser relevante en las aplicaciones orientadas a la manufactura de productos finales.

Ya existen impresoras con cabezales múltiples que pueden imprimir con diferentes materiales a la vez, y hasta mezclarlos en el proceso de impresión. Estas impresoras tienen un costo mucho más alto, y muchas veces puede ser una opción más económica comprar varias impresoras de bajo costo, cada una con su propia tecnología y gama de materiales.

Distintas tecnologías de impresión 3D

Las tecnologías de impresión 3D pueden ser categorizadas en cinco grupos principales: Extrusión, Soldadura con Rayos de Electrones, Fusión Selectiva, Manufactura de Objetos Laminados y Fotopolimerización.

Extrusión

Esta categoría agrupa a todas las distintas tecnologías de impresión

3D que usan una boquilla por medio de la cual se extrude el material de impresión. El movimiento de la boquilla está controlado por una computadora en tres dimensiones. Moviendo capa por capa, la boquilla deposita material para construir la forma deseada.

En términos de la gama de materiales, es una categoría muy versátil ya que distintos tipos de impresoras pueden extrudir una gran variedad de materiales, desde plásticos como ABS, Policarbonato, Polifenilsulfona hasta alimentos como chocolate u otros insumos de pastelería. Las impresoras de órganos y tejidos de uso médico también funcionan normalmente a partir de la extrusión de material.

Un ejemplo de una tecnología de extrusión es Modelado por Deposición Fundida o MDF (en inglés, FDM). Con esta tecnología, un filamento de termoplástico o de metal se extrude a través de una boquilla que tiene la temperatura necesaria para fundir el material. Al salir de la boquilla, el material se solidifica y la boquilla se mueve a la siguiente posición. Fue inventada por Scott Crump en 1988, quien después fundó la empresa Stratasys para comercializar impresoras 3D con la tecnología MDF. Esta tecnología es usada por las impresoras 3D de bajo costo como MakerBot, RepRap, y HyRel.

Soldadura con rayos de electrones

Es una tecnología de soldadura creada en la NASA y ahora conocida en inglés como EBF3 (Electron Beam Free Form Fabrication). Fue desarrollada para poder imprimir en 3D con metales y aleaciones como titanio, tungsteno, aceros, níquel y otros.

En este proceso, un rayo de electrones derrite un filamento que suministra el material y crea un pequeño charco de metal derretido que se mueve en una plataforma agregando el material capa por capa con la forma del objeto que se desea imprimir. Una vez que el rayo se apaga o se traslada, el metal se solidifica.

Fusión selectiva de sustancias pulverizadas

Es una constelación de tecnologías diferentes que comparten el mismo principio: la impresora coloca una capa muy fina de polvo de algún material en una plataforma y después genera fusión selectiva del material en cada capa, dibujando el patrón del corte transversal del objeto. Se utilizan distintos mecanismos, como sinterizado selectivo de láser, fundido por láser o impresión por inyección de adhesivo, entre otros. Una vez solidificado el patrón de una capa, la impresora coloca la siguiente capa de polvo. Al final del proceso, el material que sobró puede ser usado como insumo para las próximas impresiones.

Sinterizado Selectivo de Láser (Selective Laser Sintering) es la tecnología más común para imprimir con metales y aleaciones. La impresora coloca una capa de polvo metálico y la sinteriza con un rayo de láser. Sinterización se refiere a un tratamiento térmico que crea enlaces entre las partículas del polvo usando temperaturas inferiores a la temperatura de fusión del material.

Asimismo, existen las variaciones del proceso que operan a temperaturas más altas y causan la fusión del material. Fundido Selectivo de Láser (Selective Laser Melting) usa láser para fundir el polvo mientras que Fundido por Rayo de Electrones (Electron Beam Melting) usa electrones para generar el tratamiento térmico.

Impresión por inyección de adhesivo

En este proceso se usa polvo de varios tipos de plásticos, resinas, maderas y otros materiales. La impresora coloca una capa de polvo y el cabezal inyecta una solución adhesiva para, selectivamente, coagular las partículas de polvo en el patrón del corte transversal del objeto.

La ventaja de este proceso es que se puede usar una gran variedad de polvo, incluidos aquellos hechos a partir de materiales reciclados. La impresora también puede agregar un colorante a la solución adhesiva de forma programada y, de esta manera, imprimir objetos en color. Las primeras impresoras de este tipo fueron desarrolladas por Z-Corporation, que fue adquirida por 3D Systems en enero de 2012.

La impresora de construcción de la empresa D-Shape que vimos en el Capítulo 5 también funciona a partir de inyección de adhesivo, pero usa arena en vez de polvo.

Manufactura de objetos laminados

Las impresoras que utilizan esta tecnología usan un proceso muy distinto, que, técnicamente, no puede ser llamado proceso aditivo. El insumo es un rollo de papel laminado con adhesivo de un lado.

La impresora extiende una capa de papel sobre una plataforma, y un rulo caliente aplica calor para activar el adhesivo y pegar la capa a la parte del objeto ya construida (o a la plataforma si es la primera capa). Una vez pegada la capa, un rayo de láser corta el patrón del corte transversal del objeto en el papel, la plataforma baja para poder extender la próxima capa, y el proceso se repite.

La ventaja de este proceso es el bajo costo del insumo y que permite imprimir objetos de tamaño más grande que otras tecnologías. Las piezas terminadas tienen la dureza de la madera y pueden tener un acabado parecido a ese material.

Fotopolimerización

Con la fotopolimerización se usan resinas líquidas que se solidifican con la luz. Hay dos variedades principales: la Estereolitografia y el Procesado Digital de Luz (Digital Light Processing). En la estereolitografia, la resina es solidificada por un rayo de láser ultravioleta. Es el primer proceso de impresión 3D inventado por Charles Hull en 1984, que ya vimos en el Capítulo 2. Con la tecnología del procesado digital de luz, se usa un proyector para proyectar un patrón de luz que solidifica el material.

En ambos casos, el insumo líquido es colocado en una batea, y la luz es proyectada capa por capa en el patrón de cada corte transversal del objeto. Una vez que está solidificada la capa actual, la batea baja para empezar a proyectar la siguiente capa. Existen también variaciones donde la batea queda en la misma posición y lo que se mueve es la plataforma que sostiene el objeto.

Los usos principales de impresión 3D

Prototipado

Es muy importante poder elegir entre diferentes opciones en las etapas tempranas del proceso del diseño e ingeniería de cualquier producto. Los costos de hacer cambios suben a medida que avanza el proceso de desarrollo, pero, por otra parte, los ejecutivos de la empresa, al igual que los clientes, muchas veces no pueden evaluar el producto y dar su opinión antes de verlo. Por lo tanto, normalmente es una elección entre dos alternativas malas: comprometerte a un cierto diseño sin poder evaluarlo realmente o hacer cambios costosos en las etapas avanzadas del desarrollo.

Las impresoras 3D ofrecen otro camino, pues, en comparación con las maquetas hechas a mano o con las tecnologías tradicionales. Es mucho más rápido imprimir modelos 3D que representen adecuadamente el producto final para ayudar en la elección de alternativas de diseño. Tener un modelo en mano y evaluarlo visualmente ayuda a poner de acuerdo a diseñadores, ingenieros, clientes y ejecutivos, y disminuye la probabilidad de hacer cambios en el último momento. De este modo, las impresoras 3D ayudan a bajar los costos de desarrollo y crear ahorros que pueden ser significativos. Por otro lado, al darle al diseñador la posibilidad de explorar, conversar y recibir opiniones sobre una mayor cantidad de alternativas en las etapas tempranas del proceso, aumenta la calidad de las decisiones tomadas, lo que resulta en productos más creativos.

Asimismo, los ingenieros y los diseñadores pueden usar las tecnologías de impresión 3D para chequear si las ideas de diseño funcionan en la vida real y cumplen con los requisitos de ensamblaje y desempeño. Las impresoras 3D pueden ser usadas para ver si una parte encaja correctamente con otras partes del producto final, si tiene la forma y las características funcionales deseadas, si hay interacciones inesperadas entre partes, etcétera.

Al poder detectar los problemas potenciales de forma temprana, los ingenieros pueden comprobar o rechazar sus hipótesis de forma más eficiente y, de este modo, explorar más soluciones potenciales, avanzar más rápido, y ahorrar tiempo y recursos.

Producción de productos terminados

Como ya vimos en capítulos anteriores, la producción de partes o productos finales utilizando impresión 3D ofrece una gama de ventajas enorme: producción de geometrías complejas, transporte digital, personalización, producción de piezas ya ensambladas, uso de insumos más económico, entre otras. Si las impresoras 3D actuales poseen las características de desempeño necesarias para los productos finales, la producción con impresión 3D puede ser una opción muy atractiva, tanto para producción masiva como para usos más especializados –como la producción de una primera muestra en una compañía de marketing, para disminuir el desperdicio de los insumos, para eliminar un paso de ensamblaje, o como modo de producción alternativo de ciertas partes con el fin de evitar interrupciones en la línea de producción en caso de tener problemas con los suministros–.

Moldes y otras herramientas de producción

Las limitaciones de los materiales disponibles en las impresoras 3D nos llevan al otro uso importante de las tecnologías aditivas: la creación rápida de herramientas para la producción. La variedad de los materiales disponibles para los procesos de moldeo tradicionales supera por lejos a la de materiales con los cuales se puede imprimir directamente. Además, si la producción es a gran escala, los procesos de moldeo por inyección son mucho más rápidos y económicos en términos de costos unitarios. Sin embargo, la fabricación de moldes complejos sobre la base de diseños digitales en archivos CAD, muchas veces lleva una semana o más. Con la impresión 3D, este tiempo baja dramáticamente, ya que la impresora puede imprimir un molde en unas horas. Imprimir los moldes y otras herramientas de producción te permite llevar productos desde la idea hasta la producción masiva en mucho menos tiempo.

Hoy en día existe una oferta amplia de impresoras 3D basadas en distintas tecnologías. Dependiendo del uso en tu negocio algunas van ser más adecuadas que otras y es posible que dadas tus necesidades ninguna todavía ofrezca las características necesarias. Es importante tener presente que cada una de estas tecnologías tiene sus propias fortalezas y también debilidades claves. A pesar de entusiasmo que se genera alrededor de la impresión 3D, por ahora estamos muy lejos de la fabricación digital universal.