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Las impresoras 3D: Casi en las principales tendencias

[07/01/2012] Richard Smith necesitaba construir un robot que trepara por la pared para un cliente -por lo que imprimió uno.
Smith, director de Smith Engineering Gb Ltd., utilizó un programa de CAD para el diseño de un modelo 3D del WallRover, un robot ambulante de doble vía con un rotor giratorio en el chasis que crea una succión suficiente para mantener el aparato fijado a una pared. Entonces envió el archivo de diseño de cada componente a una impresora 3D, que esculpió los objetos en secciones de menos de 1/100th de pulgada de espesor imprimiéndolos, una capa a la vez, en un plástico ABS fundido como si fuera la "tinta".
A medida que la impresora 3D comienza la fabricación de un objeto, cada capa se fusiona o se pega a la anterior, y el producto poco a poco se construye. Las impresoras 3D utilizan una variedad de distintas técnicas de fabricación, algunas de las cuales se basan en la tecnología de chorro de tinta, y pueden utilizar muchos tipos diferentes de materiales "de construcción" para imprimir objetos en tres dimensiones. (Para obtener más información sobre los diferentes tipos de impresoras 3D, dele un vistazo a nuestra tabla de comparación).
Antes de imprimir esta figura, el artista limpió la imagen y extendió el arma y la capa hasta la base en que la éstase sostiene, para proporcionar soporte adicional. Cuando la figura llega a la impresora es un poco frágil, por lo que el material de soporte debe ser removido con mucho cuidado para evitar romper detalles finos, como los dedos.
Antes de comprar su impresora 3D, Smith enviaba sus diseños a una oficina de servicios para la fabricación, y las partes se enviaban de vuelta en tres o cuatro días. Con Smith utilizando una agencia de servicios para el proyecto WallRover -que pasó a través de 22 iteraciones de diseño- hubiera tardado seis meses en completarse, señala Smith.
En cambio, Smith fue capaz de obtener un diseño final y un prototipo totalmente funcional para el cliente en dos semanas.
Y lo hizo con una "impresora de inyección de plástico" 3D de grado de consumidor que él construyó a partir de un kit. El RapMan, de la división Bits From Bytes de 3D Systems, le costó 1.500 dólares. Smith gastó otros 180 dólares para los filamentos de plástico -la "tinta" consumida por la impresora. "Ahorró cinco meses de tiempo de desarrollo y entre 15 mil y 20 mil dólares en los modelos", que fueron creados en casa en lugar de ser enviados a una oficina de servicios, agrega.
Más pequeño y más barato
La impresión en 3D no es nueva. La técnica de fabricación que hoy conocemos como la impresión en 3D, también llamada fabricación aditiva o fabricación digital directa, se ha utilizado para la creación rápida de prototipos durante décadas. Pero en los últimos 24 meses, los precios han caído a un nivel que la hace atractivo a un público más amplio.
La tecnología es más compacta, sobre todo en la categoría de impresión de plástico a chorro. Cathy Lewis, vicepresidente de marketing global del fabricante de impresoras 3D Systems Inc., señala que los modelos actuales son "ideales" para uso personal.
Smith Engineering Gb Ltd., utilizó una impresora 3D económica para construir las partes de su prototito de robot ambulante de doble vía, en plástico ABS.
Pero la creación de un objeto 3D para imprimir puede ser complicada. Los diseños creados en un programa de CAD necesitan ser "herméticos", o completos. "Todas las superficies tienen que estar cerradas y estar una encima de la otra, o el resultado final tendrá agujeros", señala Jon Cobb, vicepresidente de marketing del proveedor de impresoras 3D Stratasys.
El diseño debe entonces ser exportado a un formato de archivo estándar que las impresoras 3D puedan utilizar; con mayor frecuencia el formato de estereolitografía (STL), desarrollado originalmente por 3D Systems, que se ha convertido en un estándar de facto de la industria.
Hasta hace poco, la calidad de los archivos de STL producidos por los programas de CAD no era suficiente para la impresión en 3D y requerían limpieza adicional. Sin embargo, Cobb señala que el problema ha desaparecido en gran parte de las herramientas profesionales de modelado de sólidos, tales como AutoCAD o SolidWorks. (Las herramientas de diseño orientadas al consumidor tienen una historia diferente).
Aun así, Pete Basiliere, analista de Gartner, que cubre la impresión en 3D, no ve que los consumidores utilicen esta tecnología para la impresión personal de artículos únicos o para el hogar. "Lo que inhibe al consumidor es su costo. Es demasiado caro para la mayoría de la gente". En cambio, dice, las oficinas de servicios pueden intervenir para llenar esas necesidades.
Otro problema es que algunos objetos necesitan tener apoyo añadido para que no se derrumben o se hundan antes de que el material endurezca completamente. Si un objeto tiene que ser apoyado durante el proceso de impresión, el software del controlador de pre-procesamiento que viene con la impresora 3D hace esa determinación, y agrega automáticamente los soportes de la estructura necesarios para el diseño.
El material de apoyo suele ser diferente de la acumulación de material, y debe ser removido durante una etapa de post-proceso que normalmente consiste en soplar, romper, disolver, fusionar o cortar el material no deseado.
El precio es justo
Disminución de los precios, mejor calidad y software más fácil de usar están abriendo la demanda de impresoras 3D. Los modelos comerciales -capaces de poner hacia fuera prototipos industriales de fabricación- que costaban 100 mil dólares ahora comienzan en los 15 mil dólares, mientras que las impresoras 3D personales para el mercado de los aficionados y la educación se venden por menos de  mil 500 dólares.
"Solía ser un gasto de seis o siete ceros", señala Basiliere de Gartner.
Entre las ofertas industriales, los modelos de alta gama añadieron características como la posibilidad de imprimir colores (aunque la mayoría solo puede imprimir un color a la vez), para ejecutar los trabajos más rápido, para imprimir capas más finas para un mayor detalle, y ofrecer una mayor área de impresión para la creación de objetos de mayor tamaño.
La impresora DesignJet 3D de Hewlett-Packard solo está disponible en Europa.
 
Para los diseñadores industriales que hacen prototipos, utilizar una impresora 3D recién salida al mercado es más rápido que ir a una oficina de servicios, y los costos de operación pueden llegar a apenas una décima parte de lo que cuesta en una oficina de servicios. Los precios de las impresoras 3D ahora son lo suficientemente bajos como para justificar los presupuestos departamentales, añade Basiliere de Gartner.
Los fabricantes, como los de la industria automotriz, han utilizado tradicionalmente las impresoras 3D en el laboratorio o como parte de una "oficina de servicios" interna, indica Terry Wohlers, consultor principal y presidente de Wohlers Associates Inc., que rastrea el mercado de la impresión 3D. Ahora se están presentando en las oficinas corporativas, donde se conectan a la red como cualquier otra impresora. "Debido a que son más asequibles, ahora están dispersas en todo General Motors y Chrysler", señala.
Otras industrias también utilizan la tecnología. Ben White utiliza una impresora 3D de Z Corp. para producir prototipos de postes de cortinas para ventanas, pistas, persianas y otros equipos para Integra Products Ltd. "Es más económico arrendar una impresora que enviar productos fuera para su fabricación", señala White, ingeniero senior de diseño de productos. "Estamos a un 10 a 15% del costo de la oficina de servicios", agrega, la recuperación es más rápida y los modelos se acercan con mayor precisión a las especificaciones del diseño original. Después de seis meses, la empresa está utilizando la impresora para producir el 95% de sus prototipos.
La impresora 3D de MakerBot, que se vende por mil 500 dólares, crea objetos en 3D mediante la aplicación de sucesivas capas de plástico ABS fundido.
 
Otros reportan ahorros similares. Mediante el uso de una impresora HP DesignJet para la rápida creación de prototipos, Tintometer Ltd. aceleró sus tiempos de desarrollo de productos en un 40 a 60%, señala el diseñador industrial Amy Penn. Y la compañía, que fabrica instrumentos industriales que miden el color, también utiliza la impresora 3D para crear los productos terminados.
La DesignJet construye plantillas que calibran los componentes antes de que se inserten en el instrumento final durante el proceso de fabricación. Las partes cumplen con mayor precisión las especificaciones originales en comparación con lo que Tintometer obtuvo de una empresa de servicios, y son tan fuertes y mucho más baratas, señala Penn. La impresora 3D también hace que sea rentable imprimir piezas de concepto que los vendedores pueden mostrar a los clientes. "El retorno de la inversión se vio en seis meses", agrega.
Ver también: Objetos fáciles
Penn no reveló lo que pagó, pero ella tiene la DesignJet 3D a color, que se vende por aproximadamente 21 mil dólares. La versión en blanco y negro de la impresora DesignJet 3D se vende por aproximadamente 16 mil dólares.
En términos de envíos, el mercado de las impresoras 3D sigue siendo relativamente pequeño. Las ventas de unidades para uso profesional crecieron a una tasa anual compuesta del 37% en el 2010, de acuerdo con Wohlers. Esto incluye su uso por los ingenieros industriales, arquitectos, ingenieros en los mercados tradicionales, como el aeroespacial, productos de consumo, electrónica, fabricantes de herramientas y otros problemas de fabricación. Pero ese crecimiento del 2010 ascendió a solo 6.164 unidades -una pequeña fracción del mercado de las impresoras 2D. En el 2010 hubo más de 44 millones de impresoras tradicionales enviadas a todo el mundo, según IDC.
Con solo 51 mil impresoras 3D vendidas en el mundo desde 1988, y 2,7 millones de asientos CAD de modelado de sólidos, Wohlers estima que hay un montón de espacio para el crecimiento. Para el 2015, Wohlers espera que los embarques de impresoras 3D industriales sea más del doble de las 15 mil unidades.
El potencial de crecimiento es una razón para que Hewlett Packard sumerja un dedo del pie en el agua con la introducción de la DesignJet 3D, que HP vende solo en Europa. La impresora es una nueva versión de la impresora 3D uPrint Stratasys.
También se ha desarrollado un creciente mercado de aficionados por las impresoras 3D, la gente usa la tecnología para hacer de todo, desde juguetes hasta Bulls de tiro. Las herramientas gratuitas para los aficionados al modelado 3D (ver recuadro) hacen más fácil el proceso de creación, mientras que empresas como Industrias MakerBot, LLC proporcionan extrusión de plástico a bajo costo, o impresoras de chorro de plástico.
Los fabricantes también ofrecen bibliotecas de objetos preconfigurados para que los usuarios puedan trabajar con ellos. Por ejemplo, MakerBot ofrece Thingiverse, un sitio web donde los usuarios pueden compartir objetos que han creado. Autodesk 123D ofrece una comunidad similar.
Muchas impresoras 3D personales van a las instituciones educativas, en vez de a las casas. "Queremos que estén en manos de los niños", señala Bre Pettis, CEO de MakerBot. "Se les da acceso a la potencia bruta de la innovación".
Desafortunadamente, el software sencillo de diseño 3D para los aficionados en casa no es adecuado para uso profesional, y las herramientas profesionales siguen siendo bastante complicadas de usar. Eso deja un gran vacío entre los consumidores y los diseñadores industriales. "Hoy en día es necesario ser un usuario experto en CAD para crear contenido digital, o se necesita un escáner de lujo para capturar la geometría 3D de un objeto que quiera imprimir", señala Lewis de 3D Systems.
Esta aspiradora de mano en plástico ABS, fue impresa en una impresora 3D uPrint de Stratasys.
 
La impresora 3D MakerBot, se vende por  mil 500 dólares. Aunque está diseñada para el mercado doméstico/aficionado, los diseñadores profesionales están encontrando que los dispositivos son funcionales para algunas aplicaciones comerciales. Por ejemplo, Smith Engineering utiliza un producto similar para construir y montar las piezas de un prototipo de robot comercial.
En el 2010, los proveedores de impresoras 3D enviaron 5.978 impresoras 3D personales -casi tantas como las vendidos en el mercado profesional. Pero Wohlers duda que se desarrolle un amplio mercado de impresoras 3D para el uso personal en casa.
El mercado será más grande, señala, cuando aparezcan en la demanda los fabricantes que utilicen impresoras 3D industriales o personales que cuesten entre 500 a cinco mil dólares. Van a producir artículos únicos de una sola vez o en pequeñas cantidades a medida que los consumidores o empresas que no quieran molestarse en diseñar e imprimir los elementos por sí mismos, señala Wohlers.
Gartner predice que el precio de las impresoras 3D profesionales, que ahora se venden por 15 mil dólares, se reducirá a unos 2.500 dólares en el 2020 y ofrecerán un mejor rendimiento y más características. Pero en última instancia, agrega Basiliere, "sesde la perspectiva del fabricante no es el precio de venta de la impresora lo que más importa, sino la venta de los suministros". Los costos de los consumibles para las impresoras 3D promedio oscilan entre 2,50 a 10 dólares por pulgada cúbica, de acuerdo con Basiliere.
Fabricación en las pequeñas empresas
El surgimiento de impresión en 3D de bajo costo, atenúa la barra para algunos tipos de fabricación. "Las empresas y los individuos con talento para el diseño y la comprensión del negocio pueden iniciar un negocio y comenzar la fabricación de productos", señala Wohlers.
Después de ver lo que una impresora 3D podría hacer, Ed Fries, el ex vicepresidente de Microsoft Game Studios, inició FigurePrints, que utiliza máquinas ZPrinter de Z Corp. para crear modelos personales de avatares de World of Warcraft y entusiastas de los juegos de la Xbox Live.
FigurePrints descarga los personajes directamente de cada sitio de juego, y permite que los usuarios los arreglen antes de realizar un pedido. A continuación, un artista limpia el objeto, suavizando la serie de polígonos que describen la figura, y agrega una tercera dimensión a algunos de los elementos en 2D de la imagen, como una capa y el cabello.
Fies eligió ZPrinter porque es la única impresora 3D en el mercado que soporta impresión a todo color. Es decir, se puede imprimir un objeto con múltiples colores.
El consideró técnicas de fabricación más tradicionales, como un proceso de fundición de resina diseñado para un bajo volumen de producción. "Pero usted no puede entregar la pintura a la resolución que obtenemos, que es de 600 dpi", señala, y cuesta más.
Eso es una ventaja clave del enfoque de la impresión de chorro de tinta a todo color, añade el CEO de Z Corp. John Kawola. "Debido a que usamos cabezales de chorro de tinta, podemos imprimir una botella con todos los gráficos de la etiqueta y el texto en ella".
Mientras que las impresoras de plástico golpean y exprimen plástico ABS a través de una "cabeza de extrusión", que parece una jeringa o pistola de goma, la ZPrinter construye un objeto 3D mediante la difusión de una fina capa de polvo y con un cabezal de impresión de chorro de tinta para depositar, de forma selectiva, un líquido que lo endurece.
A medida que se construyen las capas, el polvo no utilizado que rodea al objeto sirve de soporte. Una vez que el tema está terminado, va a una estación de limpieza donde un técnico utiliza aire comprimido para eliminar los residuos de polvo. El material compuesto, que tiene un componente de polímero, no es tan fuerte como el plástico ABS, por lo que FigurePrints sumerge cada uno en una solución de pegamento que endurece el material.
Incluso utilizando el endurecedor, el producto final no es tan fuerte como el moldeado por inyección de plástico ABS. Al principio, algunos personajes, que tienden a tener torsos súper desarrollados, pero tobillos delgados, se desprendieron durante el envío. Por ello los artistas se toman algunas licencias con las imágenes, en algunos casos, engrosando los tobillos o ampliando una capa o un arma hasta la base para darle más soporte.
"La textura y la apariencia del producto final es buena, pero no está a la altura de las figuras de acción moldeadas por inyección de plástico que compraría en la tienda", admite Fries.
Los colores no son tan brillantes, y el producto final tiene una textura que Fries describe "como tiza". Pero funciona bien para los modelos que se incluyen en una vitrina de cristal, y el precio es correcto: cuestan alrededor de cinco dólares por pulgada cúbica para imprimir una figura, sin incluir el tiempo de pre-y post-procesamiento.
Comparación de las impresoras 3D
FigurePrints vende los personajes por alrededor de 15 dólares por pulgada cúbica -y los usuarios parecen estar dispuestos a pagar. "Una solicitud común es para muñecos de boda para las tortas", señala Fries. "Las parejas se conocen en los juegos y quieren que sus personajes estén en la parte superior de la torta de la boda".
A Smith también le gusta la idea de utilizar las impresoras 3D para la fabricación de una sola vez o limitada. "Podemos hacer producción en pequeña escala -de decenas de unidades- sin tener que gastar el dinero en costosas herramientas de moldeo por inyección", añade. Sin embargo, la impresora funciona lentamente, produciendo hasta cerca de cuatro ejecuciones en un día. FigurePrints recibe alrededor de dos productos por día de cada una de sus impresoras.
"Si está tratando de fabricar con estas máquinas, el rendimiento es todo", señala Wohlers. El uso de impresoras 3D con éxito en un entorno de fabricación requiere una mayor automatización de los pasos de pre-procesamiento y post-procesamiento.
Cobb señala que Stratasys espera reducir el tiempo total de pre-y post-procesamiento de un trabajo de impresión típico a la mitad, de cinco horas en la actualidad a alrededor de 2,5 horas en los próximos tres años, y bajar los precios a partir de 15 mil dólares en la actualidad por su impresora de entrada a nivel profesional, a entre siete mil y 10 mil dólares en ese mismo período de tiempo. "En tres a cinco años se tendrán las mismas capacidades por menos de cinco mil dólares", añade.
En el espacio de las impresoras personales, agrega Lewis en 3D Systems, los precios bajarán aún más. "En los próximos dos años, verá que bajaremos más allá de la marca de los mil dólares. En dos años vamos a estar cerca de 500 dólares", agrega.
Hasta qué punto el mercado crecerá a medida que los precios siguen bajando, y si alguna vez surgirá un mercado de masas, es una pregunta abierta. Sin embargo, las herramientas de diseño 3D mejorarán, y las bibliotecas compartidas de objetos 3D ganarán tamaño y sofisticación, y las empresas y consumidores podrán llegar a nuevas aplicaciones de la tecnología que aun no han sido previstas. "La impresión 3D es como el negocio de los semiconductores en la década de 1960", señala Wohlers. "Sabemos que va a ser grande, pero no sabemos qué tan grande".
Robert L. Mitchell, Computerworld (EE.UU.)