EL FUTURO DE LA IMPRESIÓN 3D, RETOS, OPORTUNIDADES Y AVANCES TECNOLÓGICOS

La impresión 3D es una tecnología revolucionaria en una amplia variedad de campos que a pesar de parecer moderna sus inicios se remontan a varios años atrás.   

Por: Gabriela Condori, Paulo Rafael Atoche Zavaleta, David Céspedes Gonzales

 

Diciembre 4, 2020
Fuente:Magisterio [1].

La innovación tecnológica continúa transformando industrias, empresas, instituciones, entornos, culturas e incluso a las personas. La tecnología cada vez está revolucionando la forma en cómo vemos las cosas, cambiando en forma cotidiana nuestra forma de vivir. La impresión 3D es una de las grandes tendencias tecnológicas de los últimos años. De hecho, estamos viendo poco a poco como salen al mercado de consumo distintos modelos de impresora 3D que se pueden comprar tanto a través de internet como en tiendas de electrónica [2]. La impresión 3D tiene muchas aplicaciones en manufactura, medicina, arquitectura, arte, alimentos y diseño personalizado. Su tecnología forma parte de lo que se conocen como procesos de fabricación aditiva, estos procesos son aquellos que permiten fabricar un objeto desde cero donde las impresoras 3D van añadiendo el material hasta conformar la pieza final [3].

Todos los procesos de fabricación aditiva tienen en común el hecho de que pueden generar geometrías muy complejas de una forma muy rápida. En todos los casos, los objetos presentan una textura material de capas muy finas, casi imperceptibles. Los procesos aditivos incluyen, entre otros, todas las tecnologías de Prototipado Rápido (Rapid Prototyping) con métodos como la impresión 3D: Modelado por deposición fundida (FDM), fabricación por filamento fundido (FFF), Estereolitografía (SLA) o el Sinterizado Selectivo Láser (SLS)

  1. Las primeras tecnologías en impresión 3D y su evolución a través del tiempo.

Si bien la impresión 3D ha incrementado su notoriedad en las últimas décadas, esta nos acompaña desde hace mucho tiempo. Previo a que las impresoras 3D estuvieran disponibles para el sector comercial, investigaciones y esfuerzos por parte de grandes mentes dieron origen a las primeras tecnologías de impresión 3D.

La idea se originó con el fin de facilitar y economizar la manufacturación de artefactos dentro del sector industrial. Las primeras investigaciones al respecto iniciaron durante el año 1960 en el Instituto Conmemorativo Batelle (Batelle Memorial Institute) ubicado en Ohio, donde se hicieron experimentos en los que se intentó polimerizar resina por medio de la intersección de dos rayos láser de diferentes longitudes de onda.[4]

Siete años después, el inventor danés Wyn K. Swainson creó un método para producir artefactos en 3D por medio de un procedimiento de holografía, usando un enfoque similar al de Batelle, conocido como mecanizado fotoquímico. Ese mismo año, solicitó una patente para el mismo y fundó Formigraphic Engine Corp con el fin de comercializar dicha tecnología. Sin embargo, nunca llegó a materializarla.[5]

A finales de 1970, Dynell Electronics Corporation inventa una tecnología conocida como fotografía sólida (solid photography) en la que, en base a un modelo computarizado del artefacto, un láser o fresadora realizaba cortes transversales para luego juntarlos y formar el objeto en 3D.

Estas ideas básicas son parte del estímulo que empujó a otros investigadores a crear las bases tecnológicas de las tres técnicas pioneras de prototipado rápido usando impresión 3D: la estereolitografía (SLA), el sinterizado selectivo por láser (SLS) y el modelado por deposición fundida (FDM).

A mediados de 1980, Hideo Kodama desarrolló un método de prototipado rápido por medio de un rayo láser, mismo para el que solicitó una patente a nombre del Instituto Municipal de Investigaciones Industriales de Nagoya en Japón. Lamentablemente, producto de fondos insuficientes, no pudo completar los últimos pasos para obtener la patente.

A pesar de ello, en octubre del mismo año y en noviembre de 1981, Kodama publica dos artículos en los que explica el desarrollo de una técnica de fabricación automática de modelos tridimensionales en la que se solidifican capas finas consecutivas de fotopolímeros por medio de rayos UV y resina fotosensitiva. Estos estudios fueron los primeros en desarrollar aspectos clave de lo que se conocería en un futuro como estereolitografía (SLA).

Durante ese mismo periodo de tiempo, el francés Alain le Méhauté realizó investigaciones en la empresa Alcatel con el objeto de producir partes geométricamente fractales. Debido a la falta de apoyo de sus colegas en el trabajo, se juntó con Oliver de Witte y concibieron la idea de crear dichas partes por medio de un láser que solidificaría monómeros líquidos. Con el objeto de materializar su idea, conversaron con Jean-Claude André quien para ese entonces trabajaba en el Centro Nacional para la Investigación Científica en Francia (CNRS). Sin embargo, a pesar de tratar de obtener la patente en 1984, les fue negada la oportunidad por escasez de fondos y la creencia de falta de áreas de aplicación para la idea.[6]

Dibujo representativo de la técnica de estereolitografía. Fuente: Su A, Al'Aref S

Al otro lado del mundo en 1984, un inventor americano llamado Charles Hull inventa la primera técnica de prototipado rápido tridimensional conocida como SLA en la que, por medio de un modelo digital computarizado y el uso de rayos UV, induraba polímeros líquidos formando segmentos transversales de un objeto tridimensional. Ni corto ni perezoso, Hull obtuvo en 1986 la patente para su técnica y funda la empresa 3D Systems con la que comercializa en 1988 la primera impresora 3D que usa SLA, la SLA-1.

Charles Hull, inventor del SLA. Fuente: Su A, Al’Aref S 

Durante 1986, un estudiante de la Universidad de Texas llamado Carl Deckard desarrolló una novedosa técnica de prototipado rápido tridimensional en la que solidificaba selectivamente un polvo especial por medio de un láser, hoy en día conocida como sinterizado selectivo por láser (SLS). Con la idea en mente, Deckard funda Desktop Manufacturing Corporation (DTM Corp) y produce en 1992 la primera impresora 3D que usa SLS. Sin embargo, mediante Sinterstation 2000, su segunda empresa fundada en 1993, inicia la comercialización de las impresoras SLS dentro del sector industrial.

Carl Deckard en su centro de SLS. [6]

Mientras tanto, en 1989 un hombre llamado Scott Crum y su esposa Lisa Crum fundan la empresa Stratasys con la que comercializan las primeras impresoras 3D que utilizan una tercera técnica de prototipado rápido, el modelado por deposición fundida (FDM). Este procedimiento consiste en la deposición de filamentos de plástico o metal caliente en varias capas para formar un modelo tridimensional, proceso guiado por una computadora en base a un modelo digital.

Scott Crum, creador de la tecnología FDM[6]

Aunque estas tres técnicas son pioneras, no fueron las únicas en aparecer. A medida que avanzaron los años, otros inventores fueron desarrollando novedosas técnicas.

A finales de 1989, en el viejo continente, un alemán llamado Hans Langer desarrolla la técnica de sinterización directa por láser de metal (DMLS) que, a diferencia del SLS, fabrica modelos tridimensionales de metal al exponer un polvo metálico a un láser. Con su compañía, Electro Optical Systems (EOS), empezó a distribuir en 1994 las primeras impresoras 3D DMLS.

A inicios y durante los 90’s, aparecieron otras técnicas de prototipado rápido de impresión 3D tales como la manufactura con partículas balísticas (Ballistic Particle Manufacturing) creada por William Masters; la fabricación de objetos laminados (LOM), por Michael Feygin; el solid ground curing (SGC), por Itzchak Pomerantz; y la fabricación de aditivos láser (LAM), por AeroMat. [7]    

De esta manera, la tecnología en la impresión 3D siguió avanzando durante los próximos años. En el 2000, la compañía Object y Z Corp producen la primera impresora de inyección de tinta 3D y primera impresora 3D multicolor, respectivamente. En el 2001, la empresa Solidimension desarrolla la primera impresora 3D de escritorio. En 2002 inicia el concepto de bioimpresión (bioimprinting) al manufacturarse el primer riñón impreso con tecnología 3D. [8]    

En el 2005 se crea Reprap como una iniciativa de la universidad de Bath. El objetivo era desarrollar impresiones de 3D de bajo costo y que pudieran imprimir sus propias componentes [9]. El éxito de Reprap se debe al uso del hardware y software libre. Esto permite que personas por todo el mundo aporten al proyecto y mejoren esta tecnología. Otra empresa muy importante en el desarrollo de las impresiones 3D es Makerbot [10], que en 2009 lanzó su kit de impresión 3D. Con este Kits las personas podrían crear sus propias impresiones 3D. En general esto sirvió para llevar esta tecnología a la cercanía del hogar además de llevar la impresión 3D a nuevos campos de aplicación.

Durante el año 2008 se crea la primera prótesis de extremidades impresa mediante tecnología 3D. Para el año 2009 las patentes de la tecnología FDM pasaron a ser de dominio público, lo que permitió un incremento innovador en las impresoras 3D tipo FDM. [11] El crecimiento de las tecnologías de impresión 3D durante estos años ha sido increíble y su aplicación es amplia en una variedad de rubros.

  1. Algunas áreas donde la impresión 3D crea Innovación

2.1  Alimentos

En 2006, la NASA comenzó la investigación de los alimentos impresos en 3D. Algunos consideran este proyecto el origen de la impresión 3D de alimentos. En 2013, la NASA en cooperación con BeeHex desarrolló el “Programa Avanzado de Alimentos de la NASA”, con una misión simple que es nutrir mejor a un equipo de astronautas para misiones más largas. Así, desarrollaron la impresora 3D “Chef3D”, que imprimió con éxito una pizza en 3D. El objetivo de la impresión 3D de alimentos en viajes espaciales es hacer que las vidas de los astronautas sean más agradables y con más variedad de alimentos, por consiguiente, más atractivas para misiones más largas [12].

Impresión de pizza en 3D Fuente:Chelsea.[13]

Hay muchas investigaciones sobre la creación de impresoras 3D en alimentos, cada uno de ellos tiene los parámetros específicos para cada tipo de alimento que se quiere crear. Por ejemplo, en la investigación realizada por Chao-fan et al. [14], sobre un estudio comparativo entre impresoras de alimentos 3D en jeringas (FDM) y tornillos mediante simulación computacional, en el que utilizaron como materia de extrusión muestras de puré de papa en diferentes proporciones de agua, demostraron que la impresora de alimentos 3D de tornillo no era adecuada para extruir las tintas con alta viscosidad. Por lo tanto, esta investigación recomienda a la impresión 3D en jeringa para este tipo de viscosidades.

Resultados de perfiles de impresión de la impresora con jeringa y la impresora a base de tornillo.Fuente: Chao-fan et al.

Actualmente gracias a las diversas técnicas 3D se pueden imprimir dulces, chocolates o incluso comida completa y si esta tecnología estuviera en un restaurante, los chefs tendrían una amplia variedad de diseño. Porque estas podrían crear formas muy complejas, las cuales difícilmente se habrían logrado con métodos convencionales. Además del diseño, las impresoras 3D podrían revolucionar la forma en que cocinamos y comemos.

2.2 InvestEGGator: Huevos impresos 3D para combatir el contrabando de tortugas marinas

Inspiradas en series de  televisión como «Breaking Bad» y «the Sopranos» Helen Pheasey y Kim Williams-Guillen, ambas responsables del proyecto, idearon un ingenioso plan para combatir el tráfico ilegal de tortugas marinas. Junto con el equipo de Paso Pacific lograron introducir huevos GPS en los nidos de las tortugas marinas sin afectar el desarrollo de los huevos reales para poder rastrearlos. InvesEggator es el nombre del proyecto  así como de los huevos impresos 3D que en su interior tienen un aparato GPS. Con este invento el equipo puede rastrear la ruta del tráfico ilegal de las tortugas marinas. El pasado 5 de octubre [15] se publicaron los resultados del proyecto. Los resultados asombrosos: Se consiguió rastrear más de 137 kilómetros de un nido de tortugas. Este trabajo es un gran avance en la batalla contra el tráfico ilegal de animales. Así mismo, es una muestra de cómo el ingenio y la impresión 3D dan soluciones a problemas tan diversos.

2.3 Medicina: ¿Son las prótesis 3D-printed controladas neuronalmente el futuro?

La tecnología de impresión 3D no es nueva en el ámbito médico, el interés dentro del rubro ha sido tan grande que durante estos años los investigadores han logrado imprimir órganos y huesos dañados de los pacientes con el fin de preparar a los cirujanos para los procedimientos quirúrgicos, fármacos, tejidos y órganos por medio de la bioimpresión 3D y de prótesis biomecánicas para suplir las extremidades y partes del cuerpo en pacientes que carecen de las mismas. [16] 

En relación con las prótesis, el método de impresión 3D comparado con el proceso habitual de su construcción ha permitido crear prótesis más económicas, livianas, estéticamente más naturales y personalizadas para cada paciente. [17] Gracias a esta tecnología, hoy en día las prótesis 3D están disponibles a un precio más asequible para la población, sin embargo, aún existe la limitación, debido a que no son biológicas, de la falta de una conexión neuronal fisiológica que permita su movimiento dinámico y natural.

Con el objeto de solucionar dicha limitación, durante los últimos años se han creado varias estrategias para integrar las prótesis 3D con el sistema nervioso, de forma que los usuarios puedan movilizar las extremidades protésicas por medio de control neuronal. Entre las principales estrategias están: el sistema mioeléctrico, el uso de electrodos en los nervios periféricos y las interfaces cerebro-computadora (invasivas y no invasivas). [18] Cada una de estas iniciativas ha mostrado parcialmente lograr su objetivo, pero la existencia de desventajas con respecto a su funcionamiento limita su amplia aplicación.

Durante fines del anterior año e inicios del 2020, nuevas investigaciones han salido a la luz en las que se obtuvieron resultados increíbles con el método no invasivo de la interfaz cerebro-computadora, logrando que todos los sujetos de los estudios pudiesen movilizar un brazo robótico generando un movimiento dinámico, natural y fino como si se tratase de una extremidad normal. [19]

Individuo movilizando un brazo robótico por medio de conexiones neuronales no invasivas..Fuente [18]

Puede entonces que en el futuro los pacientes además de tener prótesis módicas y asequibles gracias a la tecnología de impresión 3D, también puedan movilizarse con naturalidad con solo pensarlo como si se trata de un proceso autónomo similar al de una extremidad biológica y de este modo puedan realizar actividades motoras por medio de movimientos tanto bruscos como finos.

Bibliografía

  1. West, J., & Kuk, G. The complementarity of openness: How MakerBot leveraged Thingiverse in 3D printing. Technological Forecasting and Social Change. 2016 102, 169-181.
  2. Pascual E. Aplicación de la impresión 3D en la fabricación de componentes de motores marinos [Master]. Universidad Politécnica de Cataluña; 2018.
  3. Maturana J. Éstas son las tecnologías de impresión 3D que hay sobre la mesa y lo que puedes esperar de ellas [Internet]. xataca. 2020 [citado 12 noviembre 2020]. Disponible en: https://www.xataka.com/perifericos/estas-son-las-tecnologias-de-impresion-3d-que-hay-sobre-la-mesa-y-lo-que-puedes-esperar-de-ellas
  4. Su A, Al’Aref S. History of 3D Printing. 3D Printing Applications in Cardiovascular Medicine. 2018;:1-10.
  5. Wohlers T. Early Research & Development. [Internet]. 2005 [cited 3 December 2020];. Available from: http://www.wohlersassociates.com/history.pdf
  6. History of 3D Printing: When Was 3D Printing Invented? | All3DP [Internet]. All3dp.com. 2020 [cited 4 December 2020]. Available from: https://all3dp.com/2/history-of-3d-printing-when-was-3d-printing-invented/
  7. M. Gonzales C. Timeline of the 3D Printing History – ASME [Internet]. Asme.org. 2020 [cited 3 December 2020]. Available from: https://www.asme.org/topics-resources/content/infographic-the-history-of-3d-printing
  8. 3D Printing History [Internet]. AV Plastics Injection Moulding | Get Stuff Made. 2020 [cited 4 December 2020]. Available from: http://www.avplastics.co.uk/3d-printing-history
  9. Zhong, S., & Pearce, J. M. . Tightening the loop on the circular economy: Coupled distributed recycling and manufacturing with recyclebot and RepRap 3-D printing. Resources, Conservation and Recycling.2018. 128, 48-58.
  10. West, J., & Kuk, G. The complementarity of openness: How MakerBot leveraged Thingiverse in 3D printing. Technological Forecasting and Social Change. 2016 102, 169-181.
  11. The History of 3D Printing: From the 80s to Today [Internet]. Sculpteo. 2020 [cited 4 December 2020]. Available from: https://www.sculpteo.com/en/3d-learning-hub/basics-of-3d-printing/the-history-of-3d-printing/
  12. Contreras L. Impresión 3D de alimentos, ¿la revolución de tu cocina? [Internet]. 3Dnatives. 2019 [citado 12 noviembre 2020]. Disponible en: https://www.3dnatives.com/es/impresion-3d-de-alimentos-040220192/
  13. Chelsea G. Los astronautas de la NASA ahora pueden imprimir pizzas en 3D en el espacio [Internet]. Futurismo. 2017 [citado 12 noviembre 2020]. Disponible en:https://futurism.com/nasa-astronauts-can-now-3d-print-pizzas-in-space
  14. Chn G, Zhang M, Bhesh B. Un estudio comparativo entre impresoras de alimentos 3D basadas en jeringas y tornillos mediante simulación computacional. el sevier. 2019; 162(1):397-404.
  15. Pheasey, H., Roberts, D. L., Rojas-Cañizales, D., Mejías-Balsalobre, C., Griffiths, R. A., & Williams-Guillen, K. . Using GPS-enabled decoy turtle eggs to track illegal trade. Current Biology.2020 30(19), R1066-R1068.
  16. La impresión 3D en la medicina – RGT Consultores Internacionales [Internet]. RGT Consultores Internacionales. 2020 [cited 4 December 2020]. Available from: https://rgtconsultores.mx/blog/la-impresion-3d-en-la-medicina
  17. La impresión 3D médica, una herramienta para salvar nuestras vidas – 3Dnatives [Internet]. 3Dnatives. 2020 [cited 4 December 2020]. Available from: https://www.3dnatives.com/es/la-impresion-3d-170720182/
  18. Ngan C, Kapsa R, Choong P. Strategies for neural control of prosthetic limbs: from electrode interfacing to 3D printing. Materials. 2019;12(12):1927.
  19. Noninvasive neuroimaging enhances continuous neural tracking for robotic device control. B. J. Edelman et al. Science Robotics, 19 Jun 2019: Vol. 4, Issue 31, eaaw6844. DOI:10.1126/scirobotics.aaw6844ao-Fa

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