Capítulo 1: Introducción
La Fabricación Aditiva o impresión 3D es
posiblemente el componente más conocido de la llamada Industria 4.0, la nueva
revolución industrial, y sin embargo no todos conocen en qué consiste y el porqué
de este nuevo tipo de fabricación.
“El comienzo es la parte más importante del recorrido”.
Platón
Definición y
conceptos clave
¿Qué es la fabricación
aditiva?
Si atendemos a la definición que
podemos encontrar hoy día en Wikipedia “La
impresión 3D es un grupo de tecnologías de fabricación por adición donde un
objeto tridimensional es creado mediante la superposición de capas sucesivas de
material”.
Sin embargo, si nos atenemos estrictamente a lo que dice esta definición no parece algo muy moderno. Por ejemplo, la humanidad lleva miles de años haciendo paredes a base de poner ladrillos unos sobre otros.
Figura 1: Sin duda las pirámides de Egipto son un “objeto tridimensional creado mediante la superposición de capas sucesivas de grandes piedras” (Foto: Pixabay)
Resulta por tanto necesario añadir algo más a la definición que explique el porqué de tanto revuelo. En definitiva, se trata de distinguir entre una fabricación aditiva artesanal y la actual tecnología industrial, por lo que creo necesario reformular la definición añadiendo un mayor nivel de detalle:
Definición de Fabricación Aditiva
La Fabricación Aditiva es
el conjunto de tecnologías de fabricación por las que un diseño digital en 3D
se transforma en un objeto real, uniendo poco a poco material (o materiales) de
forma controlada por un ordenador, como oposición a las tecnologías
sustractivas.
Añadimos así a la definición inicial varios puntos muy importantes, como son que el proceso está controlado por un ordenador, o que el inicio del mismo es un modelo informático en tres dimensiones, haciendo además mención a que es el “proceso opuesto” a una metodología sustractiva.
Para entender por tanto la fabricación aditiva es necesario entender los mecanismos de fabricación alternativos, agrupados de forma general en dos grandes grupos: la fabricación conformativa y la fabricación sustractiva.
Llamamos fabricación conformativa (o formativa, según otros autores) a aquella en la que un material es obligado (por presión, a golpes, derritiéndolo o por cualquier otro procedimiento) a adquirir la forma y dimensiones que nos interese. La fabricación sustractiva sería aquella en la que se van eliminando trozos de material (a golpes, lijado, fresado u otro procedimiento) de un bloque compacto inicial hasta conseguir el producto deseado.
Sería difícil establecer cuál de ellas es más antigua, puesto que ambas técnicas eran empleadas por el hombre prehistórico cuando moldeaba arcilla con sus manos hasta conseguir la forma de un cuenco (fabricación conformativa) o cuando golpeaba una piedra de sílex quitándole lascas hasta conseguir una punta de hacha afilada (fabricación sustractiva).
Podemos ver ejemplos de técnicas conformativas tradicionales en la Galería 1,
Foto: Pixabay Foto © Germán Martín Foto © Germán Martín
Galería 1: Ejemplos de fabricación conformativa tradicional. Hay muchas maneras distintas de forzar un material a adquirir una forma determinada.
y ejemplos de técnicas sustractivas en la Galería 2:
Foto © Germán Martín Foto: Pixabay Imagen por Stanislav Traykov, Niabot
(cut out) – Image:
Michelangelo’s Pieta 5450.jpg,
CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3667077
Galería 2: Ejemplos de fabricación sustractiva tradicional. Como decía Miguel Angel:
“La escultura ya estaba dentro de la piedra. Yo, únicamente, he debido eliminar el mármol que le sobraba
Todos los actuales procesos industriales (exceptuando los nuevos de fabricación aditiva, claro) pueden agruparse en alguna de estas dos categorías.
Así, un ejemplo común de empleo de la fabricación conformativa en la actualidad sería la tecnología de inyección de plástico dentro de un molde, con un proceso genérico similar al presentado en el diagrama 1.1:
Diagrama 1.1: Proceso típico de fabricación conformativa. (a) inyección de material en el molde; (b) separación del molde; (c) producto terminado.
Los ejemplos de productos realizados con fabricación conformativa industrial moderna nos rodean en prácticamente todos los objetos de plástico (ver Galería 3).
Botellas hechas por inyección de plástico Los tradicionales soldaditos de juguete hechos
en un molde. (Foto: Pixabay) de plástico son otro ejemplo clásico de
inyección de materiales. (Foto: Pixabay)
Galería 3: Ejemplos de fabricación conformativa moderna.
De igual modo, un ejemplo moderno de la fabricación sustractiva sería el empleo de máquinas CNC (Control Numérico Computerizado) de fresado. En ellas, una máquina-herramienta es programada mediante ordenador para la ejecución de una serie de trabajos mecanizados por arranque de viruta mediante el movimiento de una fresa (herramienta rotativa de corte). Con ello, la fresa elimina todo el sobrante de un bloque de material hasta conseguir el producto deseado de una forma automática.
El proceso genérico de la fabricación sustractiva sería por tanto el presentado en el diagrama 1.2.
Diagrama 1.2: Proceso típico de fabricación sustractiva. (a) Partimos de un bloque de material; (b) eliminación de material hasta adquirir la forma deseada; (c) producto terminado.
A la vista del proceso sustractivo, es más sencillo ver en qué consiste una fabricación aditiva; justo en todo lo contrario: partimos de la “nada”, y vamos añadiendo de forma sucesiva material (poquito a poquito, generalmente capa a capa) hasta conseguir el producto final.
A modo de ejemplo, una forma teóricamente posible de fabricar un sencillo vaso sería ir superponiendo una serie de aros de plástico, pegándolos sobre una base redonda, en la forma siguiente descrita en la imagen:
Figura 2: Al ir pegando uno a uno aros de plástico sobre una base circular terminamos construyendo un vaso.
La moderna impresión 3D consiste precisamente en eso: en ir añadiendo elementos de material de forma muy precisa, asegurando la correcta unión entre los distintos elementos añadidos (por ejemplo, haciendo que el material esté a una temperatura tal que una adecuada fusión entre capas es posible); y todo ello de forma automática, controlada por un ordenador y a partir de un diseño preliminar en 3D.
Como analogía, vamos a revisar cómo obtenemos una imagen impresa en un papel mediante una impresora de inyección de tinta.
Partimos de una imagen digital que, como sabrá, está compuesta de múltiples puntos, llamados pixels. Es la unión de millones de pequeños pixels, imperceptibles uno a uno a simple vista, lo que construye la imagen final. Estamos tan acostumbrados al mundo de la imagen digital que parece que ya no recordamos que hace nada las imágenes no se hacían así.
Figura 3: Concepto de pixel.
A continuación, tenemos que llevar cada uno de esos pixels a un papel. La forma normal de hacerlo es mediante el “driver” de la impresora, un programa que se encarga de transformar cada uno de esos pixels en uno (o varios) puntos (dots) que serán la “unidad imprimible”.
Figura 4: Para imprimir transformamos pixels en puntos.
Finalmente, nuestro hardware (la impresora de inyección de tinta) ejecutará las acciones pertinentes para escribir los puntos del color adecuado (basado en 4 colores básicos) en la posición deseada del papel.
Figura 5: Funcionamiento esquemático de una impresora de inyección de tinta.
Pues bien, si llevamos este mismo principio a las tres dimensiones, podemos considerar que cualquier objeto está compuesto de “pixels en 3D”, llamados vóxels (del inglés, volumetric pixel, pixels con volumen).
Si fuésemos capaces de ir añadiendo “cubitos” de materia en los sitios adecuados podríamos teóricamente construir cualquier cosa, de modo análogo a como construimos una imagen digital a partir de sus pixels. Al fin y al cabo, los objetos están compuestos de átomos de distintos elementos que componen los materiales, todos ellos unidos entre sí.
Figura 6: Concepto de vóxel.
No estamos ni de lejos cerca de fabricar algo a base de unir átomos, en lo que es habitual en las películas de ciencia-ficción (aunque en laboratorio se trabaja ya a nivel molecular). Y ni siquiera muchas tecnologías de fabricación aditiva tienen control a nivel de vóxel, sino que están más enfocadas hacia líneas superpuestas (varios vóxels a la misma altura). Pero el principio es el mismo.
Figura 7: Construcción de un objeto a partir de vóxels.
En la medida que la tecnología de fabricación aditiva evoluciona permite capas más y más finas, con resoluciones ya inferiores a la décima de milímetro, y así la percepción para el usuario empieza a ser casi invisible.
Figura 8: Representación de un objeto 3D con diferentes tamaños de vóxels.
Puede observarse que al reducir el tamaño del vóxel mejora la resolución hasta el punto de ser imperceptible
Continuando con el símil de las imágenes digitales, ahora es difícil recordarlo, pero hubo un tiempo en el que, al ser totalmente perceptibles, el aspecto de cada pixel resultaba significativo. Por ejemplo, ciertos sistemas de imagen digital (como los que buscan mantener la compatibilidad con películas de televisión) no usan un pixel cuadrado, sino pixels rectangulares en los cuales la altura del pixel es diferente de su anchura. La relación de aspecto de un pixel (pixel aspect ratio) es lo que describe la diferencia. De igual modo, el vóxel que consigamos fabricar, tampoco tiene por qué ser perfecto, pudiendo tener diferentes dimensiones x,y,z:
Figura 9: Relación de aspecto.
De hecho, en muchas tecnologías de impresión 3D, podemos considerar que, más que un vóxel con forma de prisma, tenemos una especie de esfera irregular capaz de fundirse con las vecinas. Es la unión de muchas de ellas la que permitirá construir el objeto final, de forma similar a como en la impresión digital un pixel se transforma en uno o más puntos (dots):
Figura 10: Vóxels impresos.
Y, por supuesto, la adición de múltiples de capas así confeccionadas es lo que terminará construyendo nuestro objeto final:
Figura 11: Una letra L impresa en 3D
Para poder comparar posteriormente con respecto a los procesos de fabricación conformativa y sustractiva presentados en los diagramas 1 y 2, nos quedaría así este proceso simplificado para la fabricación aditiva:
Diagrama 1.3: Proceso típico simplificado de fabricación aditiva.
(a) Un diseño 3D es enviado a una impresora 3D; (b) capa a capa se construye el modelo;
(c) producto terminado
Hemos encontrado por tanto una “tercera vía” para fabricar un mismo objeto. ¿Y qué?, se preguntará el lector. Al fin y al cabo, aunque por distintos caminos, los tres procesos acaban generando aparentemente el mismo producto. Para entender las ventajas que supone emplear esta tercera vía es necesario entrar un poco más en detalle en el proceso de fabricación aditiva.