Impresión 3D de consumo e industrial: problemas y soluciones

Concebida por primera vez al término de la Segunda Guerra Mundial, la impresión 3D se convirtió en una solución viable en la industria manufacturera en la década de 1980. Treinta años más tarde, en la década de 2010, pasó a formar parte del “espíritu del momento” gracias a la introducción de la impresión 3D de escritorio de bajo costo, una tecnología que se suponía que iba a poner patas arriba toda la relación entre el diseño y la fabricación. Solo había un problema: los resultados eran nefastos.

No cabe duda de que la fabricación aditiva, o impresión 3D, ha sido una idea genial que la industria pesada ha sabido aprovechar a gran escala, a pesar del enorme potencial aún por explorar. No obstante, en el terreno del consumidor final, se ha quedado atrás con respecto a otras tecnologías revolucionarias de la era digital, como las redes sociales, el comercio electrónico o la informática en la nube. ¿El motivo? Toda una serie de problemas en torno a la impresión 3D que exponemos aquí, empezando por la impresión FFF (fabricación con filamento fundido), que utiliza materiales más robustos que la impresión SLA y DLP con resina. A continuación, analizaremos las aplicaciones de la impresión 3D en la industria, especialmente en el campo de la fabricación y la construcción.

Una impresora 3D de uso doméstico solo es, en el fondo, una gran pieza móvil. Pero en el proceso, es decir, aplicar material a un sustrato para convertir un diseño digital en un objeto físico, intervienen numerosas piezas más pequeñas, cada una de las cuales puede fallar. Cuando esto ocurre, suele deberse a una serie de problemas comunes que es posible corregir.

Problema n.o 1: El ghosting

Cuando un extrusor (el “cabezal” de impresión 3D) se detiene o cambia de dirección en un giro brusco, está sujeto a la inercia, como cualquier masa al acelerar o decelerar muy rápido, y esto puede hacer que oscile un poco hacia delante y hacia atrás para reorientarse a la posición que le marca el diseño en el archivo fuente. Esta oscilación puede dar lugar al patrón ondulado característico, conocido también como ghosting o ringing, en el punto donde se produce el cambio de dirección.

Solución n.o 1: Imprimir más despacio

Si yendo a 100 km/h frenas en seco el coche, notarás una impresión mucho mayor que si lo hicieras a 25 km/h, y el mismo principio vale para el extrusor de una impresora 3D. La solución también es la misma: reducir la velocidad. La mayor parte de los dispositivos para uso doméstico tienen controles sencillos a los que se accede a través de un menú en el propio dispositivo o de una aplicación para ordenador o smartphone. Allí se encuentra un ajuste para regular la velocidad del extrusor. En los puntos en los que se aplica el material, hay que ser más lento y cuidadoso, y en los que no, puedes acelerar para ahorrar tiempo.

Solución n.o 2: Corregir los problemas mecánicos

Si la causa del ghosting o patrón ondulado no está en el software, te sorprendería saber la cantidad de veces que se trata solo de un tornillo flojo, sin más. Incluso una mínima vibración causada por este motivo o por una fisura minúscula en cualquier pieza rígida puede provocar un desequilibrio en el extrusor, apenas perceptible a simple vista. Observa la impresora con atención mientras está en funcionamiento. Quizá puedas localizar la vibración que causa el fallo mecánico origen del problema.

Problema n.o 2: La mala adherencia a la cama de impresión

Al igual que el exceso de inercia en el cabezal de impresión, la inercia en la capa de material anterior también puede causar daños. Si la primera capa no se adhiere bien a la base, todas las capas posteriores se depositarán ligeramente descentradas a causa del movimiento y, por efecto de la teoría del caos, el resultado final no se parecerá en nada a la versión digital.

Solución n.o 1: Nivelar perfectamente la plataforma

Las impresoras 3D de gama alta para uso doméstico a menudo tienen camas ajustables, con tornillos o mandos para regular la posición. Si no está perfectamente nivelada (una esquina o lado pueden estar un poco más altos), la distancia entre el extrusor y la cama es mayor en algunos puntos y el material no se adhiere bien.

Solución n.o 2: Controlar la distancia

En la mayoría de los casos, es posible ajustar la distancia entre la boquilla del extrusor y la cama (o la última capa). Para lograr una buena adherencia cuando se utiliza el material de impresión 3D más común, el polímero plástico, conviene situar la boquilla lo bastante cerca de la cama, de manera que el filamento se “aplaste” un poco contra ella. El ajuste óptimo dependerá de la geometría y el material. Puesto que cada capa suele tener un grosor de unos 0,2 mm, es importante cambiar en incrementos muy pequeños hasta encontrar la distancia ideal.

Solución n.o 3: Imprimir más despacio la primera capa

Si la primera capa no se deposita con suficiente cuidado, no se adherirá a la cama. Además, si se mueve o desplaza, las demás capas estarán descentradas. Conviene, por tanto, cambiar los ajustes para que la primera capa se deposite más despacio que las demás, de manera que tenga tiempo suficiente para enfriarse y adherirse a la cama.

Solución n.o 4: Regular la refrigeración

Una vez más, entra en juego la física. Al enfriarse, el plástico se contrae y, como consecuencia, la primera capa puede adherirse peor o desprenderse de la cama. Esta última se calienta a una temperatura específica a fin de controlar la temperatura de enfriamiento mientras se añade el resto de la geometría. Si la primera capa se enfría demasiado lento o demasiado rápido, se puede regular la velocidad de enfriamiento ajustando la temperatura de la cama en la configuración del dispositivo o en el firmware para adaptarla a la complejidad y el detalle del modelo.

Problema n.o 3: El encordado

El encordado son las telarañas o filamentos con que aparecen envueltos el coche, la cabeza de Darth Vader o el diminuto mueble que has impreso en 3D, como si el plástico siguiera rezumando del extrusor cuando debería haberse detenido. Se conoce también por los términos babeo, stringing y oozing.

Solución n.o 1: Regular la retracción del extrusor

La boquilla del extrusor se retrae del modelo cuando se le indica que no debe añadir más material. Las especificaciones dependen tanto de los ajustes del software o el firmware del dispositivo como de la complejidad del modelo. Si la boquilla no se retrae lo bastante lejos o lo bastante rápido, puede dejar estos característicos filamentos adheridos a las superficies.

Solución n.o 2: Reducir la temperatura

Una temperatura del material demasiado alta no impide que el extrusor se retraiga cuando es necesario, pero el material en sí, al ser más maleable debido a la alta temperatura, puede fluir de la boquilla en pequeñas cantidades y quedar pegado al modelo a medida que el extrusor se desplaza a la siguiente superficie.

Solución n.o 3: Evitar los recorridos largos en vacío

Cuanto más corto es el recorrido que un extrusor tiene que hacer en vacío (sin imprimir), menos tiempo tiene el material sobrecalentado de fluir por la boquilla. En recorridos más largos, hay más tiempo para que se produzca el babeo. El software de construcción inteligente puede resolver este problema planificando la fabricación de una pieza de manera que se utilice el menor número de movimientos largos en vacío. Otra solución consiste en modificar o programar los ajustes del extrusor para que aumente la velocidad en estos movimientos largos, a fin de evitar el babeo.

Imaginemos un mundo en el que los materiales pudieran formularse al instante en el lugar de uso gracias a las tecnologías de fabricación aditiva. Si se hiciera bien, y con ayuda de la impresión 3D, el sector de la construcción podría revolucionar la fabricación. ¿Necesitas construir o fabricar algo? Coge una impresora 3D y unos cuantos bloques de materia prima, desde plástico hasta limaduras de hierro u hormigón, pasando por estructuras orgánicas, e imprímelo allí donde haga falta. Además, es una manera de construir muy sostenible, ya que, en vez de empezar con una pieza grande e ir quitando material hasta alcanzar la geometría deseada, la impresión 3D utiliza la cantidad exacta de material necesaria, ni más ni menos, sin generar prácticamente ningún residuo.

La construcción es uno de los sectores menos sostenibles. En 2003, se estimó que un 30 % de los materiales destinados a las obras acababa en los vertederos, y se prevé que el volumen global de residuos alcance los 2200 millones de toneladas anuales en 2025.

Por si fuera poco, en esta cifra no se tiene en cuenta el consumo de combustibles fósiles de los vehículos y maquinaria utilizados en la extracción, la transformación y el transporte de los materiales de construcción. Con la impresión 3D, no sería necesario llevar el hormigón o la madera a las obras ni retirar los desechos. Además, se reduciría o eliminaría el material sobrante de los procesos de fabricación sustractiva, que tiene que desecharse o reutilizarse de manera razonable y segura.

Otra desventaja del uso de suministros pesados y de los métodos de fabricación sustractivos es que limita los proyectos de construcción a zonas con la infraestructura adecuada. Las tecnologías aditivas abren nuevas posibilidades para construir en lugares menos accesibles, o incluso en otros planetas, con los materiales que se encuentren allí.

La impresión 3D en la preproducción manufacturera

Aunque la impresión 3D no se ha generalizado aún en el campo de la fabricación a escala mundial, ya está abaratando la preproducción, haciéndola más rápida y más innovadora.

En el pasado, el desarrollo de prototipos de herramientas, dispositivos o piezas requería prácticamente la misma infraestructura que la producción en sí, es decir, una fábrica llena de tornos y fresadoras caros y voluminosos.

Con la impresión 3D, es posible crear infinidad de iteraciones de un diseño y optimizarlo más rápido y más barato en un lugar más pequeño, como un estudio de fabricación, un garaje o una mesa de una habitación libre. De esta forma, la fabricación deja de estar al alcance solo de los dueños de fábricas gigantescas y multimillonarias y se abre paso a nuevos participantes. Igual que los gigantes tecnológicos de hoy, los gigantes de la fabricación del mañana nacerán también en garajes.

De hecho, ya está ocurriendo: la impresión 3D ofrece a la próxima generación (la que innovará en la forma de hacer las cosas) los medios necesarios para alejarse de la mesa de dibujo y desarrollar productos y prototipos mejor que los fabricantes que trabajan con métodos establecidos. Como decía Mark Zuckerberg: “Muévete rápido y rompe cosas”.

La realidad dista mucho del universo utópico e igualitario que veíamos en los apartados anteriores, donde los desarrolladores salvarían el planeta de los desastres del cambio climático y el despilfarro de recursos. Estas son algunas limitaciones a las que todavía se enfrenta la impresión 3D, tanto en la vertiente de consumo como en la industrial.

Límite n.o 1: Los materiales

No cabe duda de que los juguetes y pisapapeles de polímero son muy graciosos, pero tienen un ámbito muy limitado. Mientras que los sistemas de fabricación tradicionales funcionan con casi cualquier material, hay muy pocas sustancias que puedan fundirse y hacerse pasar por el extrusor de una impresora 3D de escritorio.

Con todo, los coches, los ordenadores portátiles y los televisores se fabrican hoy en día con procesos bien establecidos que permiten mantener bajos los precios al repartir el costo de fabricación entre un enorme número de componentes individuales. Incluso si fuera más barato fabricar con impresión 3D, que no lo es, se necesitaría una tecnología aditiva diferente para cada material. Por ejemplo, para construir un coche que contuviera metal, goma, plástico y vidrio, se necesitaría un dispositivo de impresión 3D diferente para cada uno de esos componentes, suponiendo que existiera la tecnología necesaria para imprimir todas esas sustancias en 3D.

Límite n.o 2: El costo

Componente de costo n.o 1: El equipo

Es cierto que existe una vasta gama de impresoras 3D por debajo de la barrera psicológica de los 1000 euros, pero están pensadas para poco más que para fabricar juguetes de plástico, no para la producción industrial. Unidad por unidad, la impresión 3D no puede competir todavía con la fabricación tradicional. El tipo de impresora 3D que se necesita para cualquier cosa a escala industrial, más allá de la creación rápida de prototipos, cuesta entre varios miles y varios cientos de miles de euros, algo fuera del alcance de la mayoría de los manitas o aficionados.

Componente de costo n.o 2: Los materiales

Hay una razón por la que los servicios de impresión 3D cuestan más que la simple compra de una impresora para hacer el trabajo uno mismo, y se debe en gran medida a los materiales necesarios. Estos materiales se abaratarán, sin duda, a medida que la tecnología se popularice, pero la serie de métodos sustractivos convencionales que utilizan máquinas CNC o tornos para procesar materiales más pesados a fin de crear piezas más grandes y más robustas permite mantener unos costos unitarios mucho más bajos que los métodos de fabricación aditiva.

Los fabricantes de la industria pesada pueden abastecerse de materias primas en cantidades tales que el costo del material por pieza es casi insignificante. Por el contrario, el material de impresión 3D más común a base de polímeros, el ácido poliláctico (PLA), cuesta entre 19 y 48 euros por kilogramo. Incluso algunas variedades más especializadas para ingeniería pueden alcanzar cifras entre 55 y 115 euros por kilogramo.

Las resinas para fabricación aditiva industrial de nivel básico cuestan unos 48 euros por kilogramo, pero esta cifra puede dispararse hasta entre 140 y 375 euros por kilogramo. Es decir, para el momento en que el descuento por volumen de compra de materia prima justifique un mejor precio, habrás superado con creces la inversión que habrías realizado utilizando métodos de fabricación tradicionales.

Límite n.º 3: Los conocimientos

La falta de conocimientos en el campo de la impresión 3D es un arma de doble filo. Por un lado, y dada la gran variedad de formatos y estándares en cuanto respecta a archivos, dispositivos y sistemas operativos, imprimir en 3D no es tan fácil como nos querían hacer creer sus primeros partidarios. Los usuarios, además, deben tener cierta experiencia en el uso de CAD, de otros sistemas de diseño 3D y del funcionamiento del hardware.

Por otro lado, si nos centramos exclusivamente en la tecnología, estamos poniendo el carro delante de los bueyes y perdiendo por completo el sentido de la impresión 3D. Esta se ha utilizado normalmente para fabricar baratijas, piezas y prototipos, pero lo que en realidad está frenando este campo es la falta de imaginación. ¿Hacia dónde se dirige la impresión 3D? ¿Dónde están los límites de sus posibilidades? ¿Cómo pueden coordinarse los distintos sistemas, procesos y materiales para crear un mundo mejor?

Es posible que una sola pieza no pueda rivalizar con un objeto fabricado de la manera tradicional, pero esa no es la cuestión. Esa pieza o prototipo quizá pueda conectarse a otras también creadas con tecnología aditiva. Si analizamos las conexiones en todo el sistema, quizá podamos identificar procesos y componentes individuales que nos permitan sustituir los métodos tradicionales por otros que promuevan una mejor economía. Esos son los conocimientos que necesitamos para conseguir que avance la impresión 3D.

Es fácil dejarse llevar por las tendencias o las palabras de moda y perder de vista las oportunidades que ofrece la impresión 3D, y esas oportunidades son reales.

Según Statista, se prevé que el mercado de la fabricación aditiva tenga un crecimiento anual del 17 % hasta 2023 y que el de los productos y servicios de fabricación aditiva casi se triplique en el periodo comprendido entre 2020 y 2026.

Recientemente, la Red Financiera de Oriente Medio y Norte de África (MENAFN, por sus siglas en inglés) comunicó una previsión de crecimiento anual CAGR para el mercado de los filamentos para impresión 3D (plástico en bruto) del 23,7 % hasta 2025. Y otros estudios avalan esta tendencia.

Mientras que el sector doméstico atravesó toda una serie de fases, desde el entusiasmo inicial hasta la pérdida de interés, pasando por la confusión y, por último, el olvido total, las pequeñas y grandes empresas de fabricación nunca han dejado de creer en el potencial de la impresión 3D y están en camino de hacer realidad la tierra prometida para el entorno de la fabricación. En los últimos años, ha habido grandes avances en diferentes campos, entre los que destacan:

La impresión 3D de composites

Dados la tecnología de impresión y los materiales disponibles, hoy en día es posible crear piezas acabadas de una sola vez con todos los componentes intactos, incluso las fabricadas con materiales diferentes.

Por ejemplo, con un solo extrusor, podría fabricarse una pared con el cableado o los conductos del aire ya instalados, o bien un sistema de engranajes y correas de caucho y metal.

Los materiales orgánicos

Han pasado años desde que se planteó la posibilidad de imprimir en 3D órganos para trasplantes. La tecnología aún no está desarrollada del todo, pero ya se han “colocado los cimientos” en algunas áreas interesantes:

• KFC, una empresa que no suele asociarse a tecnologías avanzadas, contrató en 2020 a un laboratorio de Rusia para investigar la posibilidad de imprimir en 3D carne de cultivo por bioingeniería que reprodujera la textura y el sabor del pollo para usarla en sus clásicos nuggets.

• Científicos del MIT estudian desde hace años la posibilidad de usar celulosa vegetal como material para imprimir en 3D, en lugar de los plásticos derivados del petróleo que se utilizan normalmente.

• Y ya existe un material antiviral impreso en 3D que, según sus inventores, es eficaz contra el COVID-19 en las superficies. Destinado principalmente para uso en centros públicos, puede servir para crear productos, como cubiertas protectoras de manillas de puertas, que eliminen los virus y las bacterias.

Muchos sectores tecnológicos han tenido salidas en falso. Es cierto que gran parte de los que se lanzaron a la impresión 3D en pleno auge del ciclo de adopción quedaron desilusionados y no la consideraron más que una moda pasajera. Quizá llegó demasiado pronto. Las primeras iteraciones eran decepcionantes, pero mirando más allá de las grandes promesas, la parafernalia y los impactantes titulares de la primera generación, podemos constatar lo que fabricantes, aficionados e industrias descubren cada día: ha llegado la hora de la impresión 3D.

Este artículo ha sido actualizado. Originalmente se publicó en marzo de 2015.