En qué consiste la impresión 3D y cómo funciona

Para entrar en materia, vamos a explicar qué es exactamente la impresión en tres dimensiones, un poco de historia sobre el origen de este proceso y cómo funciona para ver la cantidad de utilidades que puede tener hoy en día y en el futuro, así como los distintos métodos de impresión, materiales y algunas impresoras domésticas con las que podemos iniciarnos.

Puede que te parezca algo totalmente ajeno a ti o que es imposible que tengas una impresora 3D en casa, pero son más habituales de lo que piensas.

Qué es la impresión 3D

La impresión 3D es un grupo de tecnologías de fabricación por adición capaz de crear un objeto tridimensional mediante la superposición de capas sucesivas de un determinado material. Un proceso por el que se crean objetos físicos a través de la colocación de un material en capas a partir de un modelo digital.

Por lo tanto, se trata de un proceso en el que se crear un objeto físico en tres dimensiones a través de un objeto o modelos digital mediante una impresora 3D que puede usar diferentes tecnologías y materiales para ir superponiendo capas hasta crear una réplica perfecta.

Antes de comenzar con el proceso de impresión, es el software de impresión el que se encargará de separar la impresión en capas tan finas como el plástico de salida que vayamos a utilizar (hay varios, os los detallamos a continuación). Por cada capa, la impresora se irá moviéndose sobre el plano para soltar el plástico necesario en cada capa, formando de esa manera la figura en tres dimensiones.

Un poco de historia

Aunque nos puede parecer un término y tecnología moderna, lo cierto es que en el año 1976 ya se desarrollaron los primeros equipos y materiales de construcción para la impresión en 3D. Unos años después, en 1981, Hideo Kodama inventó dos métodos de fabricación AM de un modelo de plástico tridimensional con un polímero fotoendurecible.

En 1984 fueron varios los proyectos presentados y patentados basados en el proceso de estereolitografía, que se basa en ir añadiendo capas mediante el curado de fotopolímeros con láseres de rayos ultravioleta. Además, se definió un sistema para generar objetos tridimensionales mediante la creación de un patrón del objeto a formar que dio lugar al formato de archivo STL, que es ampliamente aceptado hoy en día para la impresión 3D.

Primera máquina de impresión 3D SLA

En el año 1992 se desarrolló la primera máquina de impresión 3D de tipo SLA (estereolotigráfico) y fue obra de la compañía 3d Systems. Un láser ultravioleta iba solidificando una fotopolímera capa por capa para crear objetos tridimensionales. A pesar de que no eran piezas muy perfectas, hacía pensar en el gran potencial que podía ofrecer este tipo de máquinas.

Siete años después, en 1999 se pudieron ver grandes avances con el primer órgano criado en laboratorio por el equipo de investigación del instituto de Wake Forest de medicina regenerativa a través de su proyecto de conseguir imprimir órganos y tejidos con tecnología de impresión 3D.

Primera impresora tipo SLS

En 2006 se construye la primera impresora tipo SLS o de sintetización de láser selectivo. Una máquina que utiliza un láser para fundir materiales durante el proceso de impresión 3D y que dio una gran esperanza a la fabricación de piezas industriales, prótesis, etc.  Esta, llamada entonces como Betsy, era capaz de producir simples trozos de plástico. Sin embargo, el principal objetivo de la impresora era probar la idea del sinterizado láser selectivo, por lo que los detalles de los objetos y la calidad de la impresión eran secundarios

Un par de años más tarde, a través del proyecto RepRap, vio la luz la primera impresora capaz de replicar sus propios componentes, lo que permitía construir impresoras idénticas o piezas de repuesto.

Este tipo de impresión se ideó en un principio para ser utilizado casi en exclusiva para la industria, pero gracias a la esta primera impresora SLS su uso se extendió hasta llegar a modelos para uso «doméstico».

Avances y actualidad

En el año 2011 los ingenieros de la Universidad de Shouthampton diseñaron un avión no tripulado impreso en 3D y fabricado en tan solo una semana. En ese mismo año, se pudo ver también el primer prototipo de un coche cuya carrocería había sido creada a través de la impresión 3D o cómo se llevó esta tecnología a otro mercado muy distinto como el de la joyería, pudiendo incluso imprimir piezas de oro y plata en 3D a partir de ciertos modelos.

En los últimos años hemos visto aplicaciones múltiples en implantes dentales, prótesis de huesos, etc. Incluso hemos visto cómo recientemente se utilizaban las impresoras 3D para fabricar material sanitario para ayudar en lucha contra el coronavirus en hospitales, adaptadores para respiradores, pantallas protectoras, etc.

De hecho, en este último tiempo, la química ha mejorado tanto que prácticamente no hay distorsiones. También en cuanto a propiedades físicas: antes se rompían pronto los materiales y ahora podemos conseguir plásticos realmente buenos, duros y resistentes.

Cómo funciona

La impresión 3D requiere del uso de un software, el correspondiente hardware de la máquina o impresora y los materiales utilizados para la propia impresión y que todos ellos trabajen de forma conjunta. El propio proceso de impresión consiste en crear objetos en tres dimensiones a partir de la superposición de capas de abajo hacia arriba.

De esta manera, lo que se consigue es hacer posible la creación de piezas únicas dentro de un modelo más complejo sin necesidad de crear moldes especiales que requerían además desarrollar máquinas, proceso que retrasaba el despliegue de nuevos productos.

Antes de comenzar el proceso, el software divide el gráfico en capas finas como el diámetro del material de salida. Para cada capa, la impresora se va desplazando sobre el plano para ir liberando material sobre las coordenadas correspondientes y así ir formando la figura en tres dimensiones e idéntica a la diseñada en 2D.

Fotopolimerización por absorción de fotones (SLS)

En este método el objeto 3D es creado a partir del uso de un bloque de gel y mediante la utilización de un láser. Es decir, el gel se va solidificando en las zonas donde se va enfocando con el láser debido a un proceso de nolinealidad óptica de la fotoexcitación. Después, el gel restante se limpia. Este proceso es especialmente útil para imprimir los detalles más pequeños, siendo el mejor proceso de los que hay para ello.

SLS produce prototipos rápidos y piezas funcionales en tan solo dos días, lo que permite que las piezas se prueben mucho más rápido que con los métodos tradicionales. Aunque la impresión SLA puede ser mejor para características pequeñas, SLS tiene cierta ventaja en el sentido de que el polvo circundante brinda soporte a las piezas durante el proceso de construcción, lo que le permite producir características complejas sin estructuras de soporte.

La innovación en este campo ha experimentado un rápido crecimiento, donde los sistemas SLS basados en plástico están siguiendo los pasos de otras tecnologías de impresión 3D, como la estereolitografía o el modelado por deposición fundida (FDM), para convertirse en sistemas accesibles o compactos de gran aceptación.

Impresión con hielo

Recientemente hemos visto también cómo se han desarrollado métodos o técnicas que, por medio de un proceso de enfriado, permite realizar impresiones en 3D utilizando hielo como material. Una tecnología aún en desarrollo y cuyas ventajas están aún por ver.

Si se sigue explorando esta tecnología podríamos estar ante un avance enorme en el campo de la impresión 3D, ya que el coste del hielo evidentemente es muy inferior al resto de materiales que se utilizan para la impresión.

Otros métodos

Además de los principales métodos comentados, existen otros en vías de investigación o menos utilizados en general. Algunos de ellos son los siguientes:

Sinterización Selectiva por Láser (SLS): Este método utiliza un láser para fundir capas de polvo de material, creando una estructura sólida. Es conocido por su capacidad para producir piezas altamente detalladas y funcionales, como prototipos complejos o piezas finales. Se puede usar una amplia variedad de materiales, desde plásticos hasta metales, y es ideal para producciones en pequeña escala o partes personalizadas que requieren gran resistencia.

Impresión por Extrusión de Material (MEAM): Aunque es menos conocido que otros métodos, la extrusión de materiales es útil en industrias como la joyería o la fundición. Utiliza filamentos como cera o metales, que se extruyen capa por capa. Una de sus principales ventajas es que el material extruido puede ser fácilmente moldeado o tratado, permitiendo crear piezas con una alta precisión para su posterior uso en otros procesos de fabricación, como la fundición de moldes.

PolyJet: Este proceso es similar a la inyección de tinta, pero en lugar de tinta, utiliza fotopolímeros que se curan con luz ultravioleta. Su mayor ventaja es la capacidad para imprimir en múltiples materiales simultáneamente, lo que permite crear piezas con diferentes propiedades mecánicas o de color. Esta técnica es utilizada principalmente en la fabricación de prototipos funcionales y detallados, como modelos de productos, piezas médicas y componentes de maquinaria.

Laminado de Hilos (LOM): El LOM utiliza capas finas de material, como papel o plástico, que se cortan y se pegan para crear el objeto final. Este proceso es económico y relativamente sencillo, lo que lo hace adecuado para la creación de prototipos de bajo costo. A pesar de su simplicidad, permite producir modelos en 3D bastante detallados, aunque las piezas resultantes no suelen ser tan duraderas como las de otros métodos. Es útil para demostraciones visuales o modelos conceptuales en etapas tempranas de diseño.

Materiales

Según los métodos utilizados para la impresión en 3D, hemos visto que se pueden usar diferentes materiales. Y es que una impresora no puede utilizar cualquier material para imprimir, sino que tiene que usar alguno compatible con el tipo de impresora y tecnologías utilizadas.

Existe una gran variedad de materiales usados para la impresión de objetos en tres dimensiones, desde materiales líquidos, sólidos, flexibles, transparentes, opacos, de colores, etc. Materiales que según sus propiedades pueden satisfacer las necesidades de las piezas u objetos creados a partir de ellos, ya que cada uno dispone de diferentes características y propiedades que permiten la creación de determinados objetos con una determinada resistencia o con una precisión mayor. Entre los materiales más utilizados destacan:

• Ácido poliláctico (PLA). Se trata de un polímero constituido por elementos similares al ácido láctico y con propiedades similares a las del tereftalato de polietileno (PET) que se utiliza habitualmente para hacer envases. Un termoplástico fabricado a partir de almidón de maíz, yuca, mandioca o caña de azúcar.
• Laywoo-D3. Material formado por la mezcla de un polímero, similar al PLA, y polvo de madera en diferentes porcentajes y que ofrecen un resultado con un aspecto similar a la madera y que se puede pintar y lijar fácilmente. Concretamente, se fabrica a partir de un 40% de fibras de madera y un polímero de unión para recrear un acabado en su superficie acompañado de una textura muy similar a la de la madera.
• Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). En esta ocasión, se trata de un plástico muy resistente y que aguanta altas temperaturas. Ofrece cierta flexibilidad y es fácil de pintar. Además, podemos decir de este material que suele ser especialmente utilizado en automoción, además de en otros sectores como el industrial y el doméstico.
• Poliestireno de alto impacto (HIPS). Es una variedad de los poliestirenos, un polímero bastante frágil a temperatura ambiente y que modifica mediante la adición de polibutadieno para mejorar su resistencia. Comúnmente, se le suele denominar como HIPS o PSAI.
• Tereftalato de polietileno (PET)
• Es un tipo de plástico muy utilizado para envases de bebidas. Químicamente es un polímero que se obtiene de la reacción de policondensación entre el ácido tereftálico y el etilenglicol. Pertenece al grupo de los materiales sintéticos denominados poliésteres.
• Elastómero termoplástico (TPE). Son un tipo de polímeros o mezcla de polímeros que forman materiales termoplásticos y elastoméricas. Es decir, combinan las ventajas de materiales elásticos como las propias gomas y los materiales plásticos. Se les suele conocer como TPE o ‘cauchos’ termoplásticos.
• Filaflex. Es un filamento elástico con una base de poliuretano y otros aditivos que ofrecen en conjunto una gran elasticidad. La impresión con este tipo de material es más lenta, pero es muy útil para determinados objetos. Es un filamento que permite crear un objeto flexible y elástico, ideal para, por ejemplo, fabricar zapatillas, prótesis, pulseras o carcasas de móvil, entre otros.
• Laybrick. Se trata de un material que resulta de la mezcla de varios materiales plásticos y yeso. Esto hace que los objetos adquieran un aspecto como de piedra y que se puedan pintar y lijar fácilmente. Está hecho con arenisca y un polímero de unión que crea un acabado superficial similar al de un objeto cerámico o de piedra.
• Nylon. Polímero sintético del grupo de las poliamidas. Una fibra textil elástica y resistente muy utilizada para la fabricación y confección de tejidos y telas.
• Metales amorfos (BGM). Los metales amorfos con aquellos que tiene una estructura a nivel atómica desordenada, que permiten varias formas para su solidificación. Además, a diferencia de la mayoría de otros metales, son cristalinos y tienen un arreglo sumamente ordenado de átomos, lo que les distancia del resto.

Aplicaciones de la impresión en 3D

Como podemos imaginar, las aplicaciones de la impresión 3D son múltiples y muy variadas gracias a las diferentes técnicas y materiales que se pueden utilizar en función del tipo de objeto, precisión de detalles y resistencia.

Es así que, en la actualidad, disponemos de este gran avance tecnológico en la que se crean prototipos volumétricos que se ajustan a las necesidades de los diferentes s, tanto para futuras aplicaciones de salud y medicina, para la fabricación de ropa… pero hay más. Algunos de los ámbitos de aplicación de la impresión de objetos en tres dimensiones son:

Medicina y salud

Ya es una realidad el hecho de poder crear ciertas partes del cuerpo a través de impresoras en 3D y que son totalmente tolerables por el organismo. En el ámbito de las prótesis y otras especialidades como la odontología es donde quizás hay más utilidades. Eso sin olvidar la gran ventaja de poder crear piezas o aparatos sanitarios con gran rapidez.

Es el caso, por ejemplo, de la