Impresión 3D, qué es, usos, tipos e impacto ambiental

La impresión 3D es un proceso de creación de objetos basada en la fabricación por adición que consiste en la superposición de capas sucesivas de material en base al diseño realizado por un ordenador con un programa CAD. Las impresoras 3D ofrecen a los desarrolladores de un producto la capacidad para imprimir partes y montajes hechos de diferentes materiales con diferentes propiedades físicas y mecánicas, a menudo con un simple proceso de ensamblaje. Las tecnologías avanzadas de impresión 3D pueden incluso ofrecer modelos que pueden servir como prototipos de producto.

Aunque durante la pandemia también experimentó un bajón como consecuencia de la ralentización de todo el negocio corporativo, en el 2022 el negocio de impresión 3D volvió a coger vuelo y cerró el ejercicio con unos ingresos globales de 16.750 millones de dólares a nivel mundial y un total de 3,69 millones de unidades comercializadas a nivel mundial. Para los próximos años es previsible un incremento superior al 23% en el caso de la facturación (60.000 millones de dólares en 2027) y del 29% en el terreno de las unidades. Múltiples industrias están apostando por la tecnología 3D para el desarrollo y creación de productos y prototipos y entre ellas destacan los sectores de arquitectura, sector aeroespacial, automoción, diseño, educación, energía, entretenimiento, industria, joyería, medicina y sanidad o robótica.

Evolución, historia y origen

La historia de la impresión 3D comienza en 1974 cuando comenzaron a desarrollarse los primeros equipos y materiales basados en la fabricación aditiva. Dos años más tarde, Hideo Kodama inventó dos métodos de fabricación aditiva basada en un modelo de plástico tridimensional con un polímero. Ya en 1984, los franceses Olivier de Witte y Jean Claude André presentaron su patente sobre el proceso de estereolitografía, justo tres semanas antes de que Chuck Hull hiciese lo mismo con su propia patente. Abandonado el proyecto francés “por falta de perspectiva empresarial”, Hull tuvo vía libre para desarrollar el modelo de estereolitografía, un proceso de impresión que permite que un objeto en 3D se cree a partir de datos digitales. Se utiliza la tecnología para crear un modelo 3D a partir de una imagen y permite que los usuarios prueben un diseño antes de que se invierta en la fabricación del modelo definitivo.

Tipos de impresión 3D y técnicas

• Modelado por deposición fundida (FFF): Sistema de fabricación aditiva donde un cabezal de extrusión controlado por ordenador extruye un hilo de material plástico.
• Esterolitografía (SLA): es la primera técnica 3D utilizada y se basa en un láser ultravioleta para curar con precisión secciones transversales de polímeros convirtiéndolos de sólidos a líquidos.
• Fusión de lecho de polvo (PBF): Método que utiliza una fuente de calor, normalmente un láser para sinterizar o fusionar las partículas de polvo atomizado.
• Procesamiento digital de luz (DLP): Tipo de polimerización que consiste en el uso de un fuente de luz proyectada para curar resinas fotosensibles. La pieza se forma capa a capa, es más rápida y es utilizada para artículos con diseños de resina complicados: juguetes, moldes, estatuillas y otros objetos con detalles finos.
• Sinterización por láser selectiva (SLS), tecnología a base de polvo que usa un láser para fusionar capas de materiales en una pieza definitiva
• Inyección de material (MJ): La utilización de polímeros, metales o cera se solidifica cuando se exponen a la luz o al calor garantizando que los objetivos físicos se construyen capa a capa.
• Inyección de aglutinante (BJ): Chorro de material o aglutinante, en el que se depositan diminutas gotas de material sobre un lecho de polvo

Según Mordor Intelligence, la sinterización selectiva por láser (SLS) ha sido identificada como la tecnología con mayor proyección de crecimiento en el futuro por ser la más rentable, ya que no requiere ninguna estructura de soporte dedicada a la posimpresión. Esta tecnología encuentra además una amplia gama de aplicaciones en varios verticales, incluidos el sector aeroespacial, la defensa y la automoción, entre otros. Con la exploración espacial presenciando un cambio de paradigma, se espera que aumente la demanda de impresión SLS, con un número creciente de países preparándose para lanzar satélites. Además de eso, SLS también se usa cada vez más en vehículos deportivos y autos eléctricos. Según la AIE, el stock mundial de turismos eléctricos superó los 5 millones en 2018, un aumento del 63 % desde 2017.

Qué son las impresoras 3D y cómo funcionan

Las impresoras 3D son máquinas capaces de crear piezas, figuras y objetos con volumen (alto, ancho y largo) partiendo previamente de un diseño realizado por ordenador con un programa CAD. Este tipo de máquinas surgen con la idea de convertir archivos digitales en prototipos reales. Comúnmente, se ha utilizado en la realización de piezas o componentes en sectores como la arquitectura y el diseño industrial. En la actualidad, se está extendiendo su uso en la fabricación de todo tipo de objetos, modelos para vaciado, piezas complicadas, alimentos, prótesis médicas, prototipos de coches, aviones y todo tipo de productos industriales.

Aunque las tecnologías de impresión 3D han existido desde los años 80, los recientes avances en cuestión de maquinaria, materiales y software han hecho que la impresión 3D sea accesible para una gama más amplia de negocios, con lo que cada vez más compañías pueden usar herramientas que antes estaban limitadas a unas pocas industrias de vanguardia.

Impresión 3D y ventajas que aporta

La impresión 3D es una tecnología emergente que está revolucionando la forma de crear objetos físicos. Actualmente, las impresoras 3D se pueden producir con más de 250 materiales diferentes, 100 veces más rápido que las tradicionales y con un 90% de eficiencia de material. Esta herramienta permite fabricar piezas complejas con una amplia gama de funcionalidades y una visualización completa en tres dimensiones.

Las ventajas más importantes de la tecnología 3D son la capacidad de producir diseños muy complejos en un plazo de tiempo muy corto y a un coste muy reducido. Aunque la impresión 3D de un objeto puede llevar horas o incluso días enteros, sigue siendo mucho más rápida que los métodos de producción habituales.

Pasos para la impresión 3D

Los pasos para el desarrollo de una impresora 3D incluyen el diseño del boceto o croquis de una idea específica, la creación y diseño del objeto 3D mediante un software o programa, la laminación del archivo y, por último, la impresión del objeto en tres dimensiones.

Diseño

Las impresoras 3D crean piezas a partir de modelos tridimensionales, las representaciones matemáticas de cualquier superficie tridimensional creada mediante CAD o desarrollado a partir de datos de un escaneo 3D. Después, el diseño se exporta como un archivo STL u OBJ legibles para el software de preparación de impresiones.

Las impresoras 3D incluyen software para especificar los ajustes de impresión y dividir el modelo digital en capas que representan secciones transversales horizontales de la pieza. Los ajustes de impresión que se pueden modificar, incluyen la orientación de la pieza, las estructuras de soporte, la altura de capa y el material. Cuando se finaliza la configuración, el software envía las instrucciones a la impresora mediante una conexión inalámbrica o por cable.

Áreas de aplicación de la tecnología 3D

Los usos y utilidades que puede tener una impresora 3D son muy variados, desde objetos caseros, instrumentos musicales, material e instrumental médico, implantes, piezas de arquitectura y construcción, alimentos, piezas aeronáuticas y aeroespaciales, componentes de automóviles, engarces de joyería y prototipos de todos los anteriores.

Uno de los nichos en los que más rápido está aumentando su implantación es en la fabricación de prótesis médicas, ya que esta tecnología de impresión 3D permite adaptarse a las características exactas que necesita cada paciente.

Algunas marcas de automóviles, por ejemplo, utilizan la fabricación aditiva para producir ciertas partes del interior del coche o componentes del motor. Lo mismo ocurre en el sector aeroespacial, donde la optimización del peso es de suma importancia. De hecho, las tecnologías de impresión 3D pueden aumentar la fuerza y la resistencia de las piezas, al tiempo que emplean materiales más ligeros.

También hay cada vez más aplicaciones en el ámbito de la construcción, donde las impresoras 3D ya se están utilizando en la edificación de casas a través del diseño y superposición de capas de cemento. En el terreno de la alimentación también se están produciendo alimentos comestibles, como el chocolate o ingredientes para la elaboración de comida más elaborada.

Por desgracia, también se pueden fabricar todo tipo de armas, por lo que es de esperar que la regulación legal de estas máquinas en los distintos países se vaya adaptando con el tiempo.

Qué materiales se utilizan para la impresión

Hoy en día hay una cantidad increíblemente amplia de materiales de impresión 3D disponibles para las diferentes tecnologías desarrolladas. Desde los termoplásticos hasta los metales y la cerámica, y desde los alimentos hasta las células vivas orgánicas y el hormigón.

• Termoplásticos: Entre ellos se incluyen los plásticos estándares, el nylon o los polímeros.
• Materiales composite: Mezcla de dos materiales como la madera y plástico o nylon y fibra de carbono
• Metales y cerámica: Estas piezas requieren un traamietno posterior
• Hormigón: En el sector de la construcción para imprimir cimientos, puentes, estructuras y esculturas, entre otros.
• Bioimpresión: Todavía no se pueden imprimir órganos humanos para transplantar, pero puede imprimir una amplia variedad de células vivas
• Impresión 3D de alimentos: Aún bastante limitada, excepto para el chocolate

La impresión 3D es una herramienta decisiva para favorecer el reciclaje de residuos altamente contaminantes como los plásticos

Reciclaje de materiales impresos, impacto ambiental

La impresión 3D es una herramienta decisiva para favorecer el reciclaje de residuos altamente contaminantes como los plásticos. Las impresoras 3D utilizan filamentos plásticos en su proceso de adición de capas para crear diferentes objetos. Los plásticos que se emplean para producir estos filamentos pueden ser nuevos, pero también reciclados. Pensemos en el PET, tan utilizado en la industria 3D y que es tan habitual en otros procesos de fabricación, como las botellas y otros envases de plástico.

La empresa holandesa 3DEVO ha conseguido desarrollar una pequeña máquina que puede triturar hasta 5 kilos de plástico en una hora. Con este plástico puede producir su propio filamento de impresión utilizando otra máquina complementaria, también diseñada por ellos. Se trata del más claro ejemplo de economía circular y completamente autosuficiente. En el mismo espacio podemos reciclar los residuos plásticos y producir el material que posteriormente será impreso para fabricar nuevos objetos.

Para qué utilizar la impresión 3D

• Prototipado rápido: Llamado también prototipado rápido, se diseña rápidamente un modelo y se imprime en 3D poco después. En la pandemia se tardaron pocos días en diseñar en formato 3D tanto respiradores como bastoncillos o protectores faciales. Estas ventajas podrían aplicarse a otros sectores de actividad como el aeroespacial, el de la automoción, el de la educación, el del petróleo y el gas, el médico, y la lista continúa.
• Piezas de uso final: Algunas marcas de automóviles utilizan la fabricación aditiva para producir ciertas partes del interior del coche o componentes del motor. Lo mismo ocurre en el sector aeroespacial, donde la optimización del peso es de suma importancia. De hecho, las tecnologías de impresión 3D pueden aumentar la fuerza y la resistencia de las piezas, al tiempo que emplean materiales más ligeros. Eso sí, se requiere una certificación y un control riguroso de las piezas.
• Herramientas plantillas y accesorios: El servicio de impresión 3D puede fabricar herramientas, plantillas y accesorios de forma rápida, en el momento y sin retrasar la cadena de producción debido a la falta de un dispositivo. Los métodos tradicionales, como el moldeo por inyección, pueden tardar varias semanas en ser respaldados por un presupuesto consecuente para obtener una herramienta nueva y personalizada.
• Personalización en masa: La producción en masa ofrece la importante ventaja de reducir los costes a escala, pero cada pieza debe ser idéntica. La fabricación aditiva, sin embargo, está permitiendo a las marcas producir en masa objetos personalizados. Esto se denomina personalización en masa o customización en masa.

Ventajas de la impresión 3D

• Rapidez y precio. Esta tecnología reduce el tiempo de producción de un prototipo hasta 10 veces respecto de las técnicas anteriores y 5 veces más barato.
• Libertad de diseño: La impresión 3D puede crear formas y piezas complejas que serían costosas o incluso imposibles de producir con los métodos de fabricación tradicionales
• Precio: Si bien estas impresoras se consideran caras, tanto que no son un objeto común en cualquier hogar o pequeña empresa, sí son una alternativa mucho más económica que las máquinas de prototipado rápido que pueden alcanzar precios superiores a los 500 mil dólares.
• Reducción del riesgo: La impresión 3D permite a los ingenieros someter prototipos que tienen el mismo aspecto y funcionamiento que los productos finales a ensayos exhaustivos
• Prácticas. Las impresoras 3D son pequeñas, seguras, fáciles de usar y fiables. Todas estas características han hecho que cada vez se les vea más, por ejemplo, en escuelas.

Sectores verticales

Educación

Mediante modelos en 3D se pueden explicar más fácilmente determinados conceptos, fenómenos físicos o químicos a alumnos de todas las edades. Se prevé que en los próximos años esta herramienta se expanda por todo el mundo, y que, al igual que hace una década entraron en las aulas ordenadores y pizarras interactivas, lo hagan ahora también las impresoras 3D.

Fabricación

Los fabricantes automatizan los procesos de producción y optimizan sus procesos de trabajo creando prototipos de utillaje e imprimiendo directamente en 3D herramientas, moldes y elementos de fabricación a medida con costes y plazos de producción mucho más reducidos que con los procesos de fabricación tradicionales. Esto reduce los costes y los defectos de la fabricación, aumenta la calidad, agiliza el montaje y maximiza la eficacia de la mano de obra. Entre las aplicaciones para este sector destacan las guías y fijaciones, el utillaje, el moldeo, la fundición de metal, la producción de serie limitada y la personalización en masa.

Entretenimiento

Hay piezas impresas en 3D que han tenido un papel protagonista en películas animadas mediante la técnica de videojuegos, trajes a medida e incluso en efectos especiales para películas taquilleras. Las esculturas hiperrealistas, los modelos de personajes u otro tipo de atrezzo desarrollados con impresoras 3D están siendo cada vez más utilizadas en la industria del entretenimiento.

Joyería

Los profesionales de la joyería usan el diseño asistido por ordenador (CAD) y la impresión 3D para crear con rapidez prototipos de diseños, para averiguar la talla de cada cliente y producir grandes lotes de piezas listas para fundir. Las herramientas digitales permiten crear piezas robustas y con detalles nítidos sin el tedio y la variabilidad de las tallas en cera.

Medicina

El entorno sanitario es uno de los que más se está beneficiando del uso de las impresoras 3D para impulsar nuevas técnicas de fabricación de prótesis e incluso de órganos que puedan ser transplantados. La impresión aditiva permite a los profesionales sanitarios la posibilidad de fabricar prótesis a medida después de escanear la zona afectada y generar un modelo 3D que se ajuste perfectamente a cada paciente mediante tecnologías de fabricación aditiva. Esto permite reducir el periodo de adaptación a la prótesis y el coste, además de ser biocompatibles y poco invasivas para el organismo humano.

La impresión 3D de escritorio asequible y de calidad profesional ayuda a los médicos a crear tratamientos y dispositivos personalizados para atender mejor a cada persona. Esto abre la puerta a aplicaciones médicas muy eficaces, al tiempo que ahorra a las organizaciones mucho tiempo y dinero desde el laboratorio hasta el quirófano

Robótica

Los increíbles niveles de precisión que se alcanzan con la impresión 3D permite crear piezas o accesorios para los robots que mejoran su funcionamiento y optimizan sus tareas. También existen robots creados, íntegramente o alguna de sus partes, a través de una impresora 3D.

En función del tipo de robot para el que se aplica la impresión 3D se utilizan un tipo de material u otro. Por lo que se refiere a la robótica dura, se utilizan materiales rígidos y fuertes, como el titanio, para crear piezas. Sin embargo, en la robótica blanda, se utilizan materiales mucho más flexibles que son difíciles de moldear con los métodos tradicionales, como la silicona, para fabricar pinzas o manos para el robot.

Casos de éxito

• La Universidad de Michigan (EE.UU.) salva la vida de tres bebés con una enfermedad respiratoria gracias a implantes hechos con impresoras 3D
• 3DEVO consigue desarrollar una pequeña máquina 3D que tritura plástico para convertirlo en material reciclado, sostenible y respetuoso con el medioambiente
• Ecrimesa es una empresa española que desde 2018 fabrica piezas de acero y aluminio con fabricación aditiva basadas en 3D
• Galletas Gullón adquiere una impresora 3D de FDM para evitar parones de producción por la rotura de dedos de las arrastradoras de galletas,
• Alstom fabrica 200 reposapiés para trenes de alta velocidad basados en impresión 3D ultrarrápida
• Romans Ferrari promueve el desarrollo digital CAD y escaneado de moldes de silicona para niños con quemaduras graves o politraumatismos que evitan el contacto previo con la piel
• Grupo Teyme, empresa española de agricultura, mejora su maquinaria a través de la fabricación aditiva basada en material un 80% reciclado