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Universidad Católica "Nuestra Señora de la Asunción"Facultad de Ciencias y Tecnologías

Departamento de Electrónica e Informática

Teoría y Aplicación de la Informática 2

3D PRINTERS(IMPRESORAS 3D)

JOSÉ NOGUERA

SEPTIEMBRE, 2014

Abstract. Resumen. Este trabajo de investigación trata sobre las impresoras 3Den general. Su historia, características y usos son algunos aspectos que se es-tudian, además de la tecnología aplicada y su posible proyección en el futuro,comparando y analizando diferentes dispositivos de distintos fabricantes.

Keywords. Estereolitografía, FDM, CAD, STL, ABS, PLA, PVA, BPA.

jmnoguera85@gmail.com

Table of Contents

1 Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 ¿Qué es la impresión 3D y cómo funciona?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Principios Generales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3.1 Diseño, Modelado y Materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2 Impresión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.3 Impresoras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.4 Escaneado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4 Métodos y Tecnologías. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.1 Sinterización selectiva por láser (SLS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.2 Modelado por deposición fundida (FDM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.3 Estereolitografía (SLA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

5 Aplicaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.1 Industria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.2 Hogares u Oficinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155.3 Medicina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165.4 Vuelo Espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.5 Futuras Aplicaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6 Propiedad Intelectual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Controversias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Conclusión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

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1 Introducción.

Hace casi 20 años fue inventado el primer método de impresión 3D, desde entoncessu uso y alcance ha crecido exponencialmente avanzando cada día más. Pasando desdelas industrias, en la fabricación de prototipos y hasta la producción final para la venta,en la producción de maquetas arquitectónicas, en la medicina donde se están haciendoprótesis e implantes, incluso se está imprimiendo células vivas, hasta llegar a las oficinasy hogares pudiendo fabricar pequeños objetos para el ocio o trabajo.

En este resumen se pretende explicar su funcionamiento, avances, aplicaciones ac-tuales y futuras y las controversias que se están dando con esta tecnología.

2 ¿Qué es la impresión 3D y cómo funciona?.

La impresión 3D es un grupo de tecnologías de fabricación por adición dondeun objeto tridimensional es creado mediante la superposición de capas sucesivas dematerial [1]. Los métodos de producción tradicionales son sustractivos, es decir, gen-eran formas a partir de la eliminación de exceso de material. Las impresoras 3D sebasan en modelos 3D para definir qué se va a imprimir. Un modelo no es sino la repre-sentación digital de lo que vamos a imprimir mediante algún software de modelado. Pordar un ejemplo de lo anterior, con una impresora 3D podríamos generar una cuchara, ocualquier otro objeto que podamos imaginar, usando tan solo la cantidad estrictamentenecesaria de material, y para hacerlo deberemos tener la representación del objeto enun formato de modelo 3D reconocible para la impresora [4]. Una impresora 3D es unamáquina capaz de realizar ”impresiones” de diseños en 3D, creando piezas o maquetasvolumétricas a partir de un diseño hecho por ordenador. Surgen con la idea de convertirarchivos de 2D en prototipos reales o 3D (ver Figure 1) [2].

Fig. 1: Ejemplo de Diseño en un ordenador y su resultado.

Los tipos de impresión disponibles actualmente son de compactación, con una masade polvo que se compacta por estratos, y de adición, o de inyección de polímeros, en las

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que el propio material se añade por capas, dependiendo del método de compactaciónutilizado se puede clasificar en:

Impresoras 3D de tinta: utilizan una tinta aglomerante para compactar el polvo. Eluso de una tinta permite la impresión en diferentes colores.

Impresoras 3D láser: un láser transfiere energía al polvo haciendo que se polimerice.Después se sumerge en un líquido que hace que las zonas polimerizadas se solidi-fiquen.

En el año 1983 Chuck Hull, un inventor destacado en el campo de la óptica iónica,idea el primer método de impresión 3D: la estereolitografía. En el año 1988 funda lacompañía 3D Systems y comienza a comercializar las primeras impresoras estereoli-tográficas. Entre los años 1988 y 1990 se desarrollan nuevos métodos de impresión 3D:la impresión por deposición de material fundido (FDM por sus siglas en ingles) y la im-presión por láser (SLS por sus siglas en ingles). En el año 2005 se desarrolla la primeramáquina 3D autorreplicante: RepRap, con lo cual se da un paso gigante en el acceso yuso de las impresoras 3D. En el año 2009 la empresa organovo ingenia la impresora 3DMMX Bioprinter, la primera capaz de fabricar tejidos orgánicos [3].

Los materiales que actualmente pueden utilizarse para ”imprimir” son variados y locierto es que influyen bastante en el coste de la impresora. Cualquier impresora de bajocoste suele funcionar con termoplásticos como el PLA o ABS. Pero nos encontramosimpresoras capaces de trabajar con metal, fotopolímeros o resina líquida, aunque resul-tan prohibitivas para entornos no industriales [4].

3 Principios Generales.

3.1 Diseño, Modelado y Materiales.

El diseño se realiza por medio de un software de diseño asistido por computadora(CAD, por sus siglas en ingles) o el software de modelado y animación, también eldiseño puede ser manual y luego digitalizado con un scanner 3D, se encuentran ensecciones digitales para la máquina para utilizar sucesivamente como una guía para laimpresión. Dependiendo de la máquina que se utiliza, el material o un material de uniónse deposita sobre el lecho de construcción o de la plataforma hasta que el material deestratificación / aglutinante es completa y el modelo 3D final ha sido ”impreso” (verFigure 2).

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Fig. 2: Diseño en papel, luego es modelado con un programa CAD y luego es impresocapa por capa con una impresora 3D.

Los tipos de formatos comúnmente utilizados para la impresión 3D es el formatode archivo STL (STereoLithography, estereolitografía), también conocido como Stan-dard Tessellation Language es ampliamente utilizado, los archivos STL sólo describenla geometría de la superficie de un objeto tridimensional sin ninguna representacióndel color, la textura u otros atributos comunes de los modelos CAD. Un archivo STLdescribe una superficie triangulada estructurado [10] (ver Figure 3).

Fig. 3: Diferencia entre un modelo CAD y STL.

Los materiales que se pueden utilizar para la impresión 3D son muy variados, prác-ticamente hay muy pocas limitaciones, entre los plásticos tenemos ABS, PLA, PVA,policarbonato, PLA blando, entre los metales tenemos el acero, el acero inoxidable, ti-tanio, oro y plata, también se utilizan otros materiales como el nylon, poliamida rellenade vidrio, resina epoxi, cera y fotopolímeros, existen otros no tan utilizados como el

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chocolate, Bio-Ink (utilizado para la producción de vasos sanguíneos, vejigas y por-ciones de riñones), material de huesos (compuesto de silicio, fosfato de calcio y zinc),vidrio, piel, entre otros [11].

3.2 Impresión.

Antes de imprimir un modelo 3D a partir de un archivo de STL, primero debe serprocesado por un software llamado ”recortadora” que convierte al modelo en una seriede capas delgadas y produce un archivo G-code que contiene instrucciones adaptadas auna impresora específica. Existen varios programas de la recortadora de código abierto,incluyendo Skeinforge, Slic3r, KISSlicer, y Cura. La impresora 3D sigue las instruc-ciones del archivo G-code para colocar capas sucesivas de líquido, polvo, papel paraconstruir el modelo a partir de una serie de secciones transversales (ver Figure 4). Es-tas capas, que corresponden a las secciones transversales virtuales a partir del modeloCAD, se unen o fusionan de forma automática para crear la forma final. La principalventaja de esta técnica es su capacidad para crear casi cualquier forma o característicageométrica.

Fig. 4: Proceso de recortado del modelo en capas.

La resolución de la impresora describe el espesor de cada capa, la resolución X-Yse mide en puntos por pulgada (dpi, por sus siglas en ingles) o micrómetros (micras).El espesor típico de una capa es alrededor de 100 micras (250 dpi), aunque algunasmáquinas, como la serie Objet Connex series y 3D Systems ProJet series, pueden im-primir capas tan delgadas como 16 micras (1,600 DPI). La resolución X-Y es compara-ble a las impresoras láser. Las partículas (puntos 3D) son alrededor de 50 a 100 micras(510 a 250 dpi) de diámetro [1].

3.3 Impresoras.

En el mercado existe una gran variedad de impresoras, el costo depende del tipode impresora 3D que se desea junto con las dimensiones de impresión, la resolución y

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el material de impresión, por ejemplo entre las de uso para el hogar tenemos la Portabee3D con un tamaño máximo de impresión de 12 x 12 x 12 cm. con un costo de $500, laRapidbot 3D con un tamaño máximo de impresión de 22 x 22 x 16.5 cm. y un espesormínimo de 0.1 mm. por capa con un costo de $700, el Creator 3D con un tamañomáximo de impresión de 12 x 12 x 12 cm. y soporta 3 mm. de PLA con un costode $760 [12], la Cube 3 con un tamaño máximo de impresión de 15.2 x 15.2 x 15.2cm. y un espesor de 0.075 mm., soporta ABS y PLA y cuenta con conexión Wifi yBluetooth con lo cual soporta el envío de archivos para imprimir desde un Smartphone oTablet bajo iOS, Android o Windows Phone con un costo por debajo de $1000. Tambiénexisten impresoras de menor costo para uso doméstico como el TinyBoy diseñada parael público adolescente estudiante, con unas dimensiones de 15 x 15 x 22 cm. con locual encaja en un escritorio, las dimensiones máximas de impresión es de 8.5 x 8.5 x8.5 cm. y el costo es de $130 [13], existen otras como The Peachy Printer con un costode apenas $100, las impresoras QU-BD One Up y Two Up con un costo de $200 y $279respectivamente y la Makibox con un costo de $200 [14] entre otros.

3.4 Escaneado.

Un escáner 3D es un dispositivo que analiza un objeto para recoger datos sobresu forma y hasta su aspecto (por ejemplo el color). Los datos recogidos se puedenutilizar para construir modelos digitales 3D, posteriormente estos modelos digitalespueden ser impresos con una impresora 3D (ver Figure 5). Muchas tecnologías puedenser utilizadas, cada tecnología viene con sus propias limitaciones, ventajas y costes.Muchas limitaciones en el tipo de objetos que se pueden digitalizar siguen vigentescomo por ejemplo en el escaneado óptico se encuentran problemas con el brillo, elreflejo y los objetos transparentes.

Fig. 5: Resultado final del escaneado 3D de rostro y posteriormente su impresión.

El escaneado 3D es útil para una amplia variedad de aplicaciones, estos disposi-tivos son ampliamente utilizados en la industria del entretenimiento en la producción de

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películas y videojuegos, también son utilizados en el diseño industrial, ortesis y próte-sis, en la ingeniería y creación de prototipos, control de calidad y la documentación deartefactos culturales.

Existe una gran variedad de tecnologías para la adquisición digital de un objeto 3D.Entre los tipos de escaneado existen los de contacto y sin contacto. El de contacto serealiza, como su nombre lo indica, con el contacto, el objeto se coloca sobre una super-ficie plana con alta precisión de pulido de la superficie, si el objeto no puede colocarseen una superficie como tal se coloca en un soporte. Las tecnologías sin contacto emitenalgún tipo de radiación o luz y detecta el reflejo o las radiación que atraviesa el objeto,los tipos de radiación incluyen luz, ultrasonido o rayo X [15]. .

4 Métodos y Tecnologías.

No todas las impresoras 3D utilizan la misma tecnología para realizar sus objetos.Hay varias formas de hacerlo y todos los que están disponibles a partir de 2012 sonaditivos, que difieren principalmente en la forma en que las capas están construidaspara crear el objeto final. Algunos métodos utilizan de fusión o el ablandamiento delmaterial para producir las capas. Sinterización selectiva por láser (SLS, por sus siglasen ingles) y el modelado por deposición fundida (FDM, por sus siglas en ingles) sonlas tecnologías más comunes que utilizan esta forma de impresión. Otro método deimpresión es depositar materiales líquidos que son curados con diferentes tecnologías.La tecnología más común que utiliza este método se llama estereolitografía (SLA).

4.1 Sinterización selectiva por láser (SLS).

Esta tecnología utiliza un láser de alta potencia para fundir pequeñas partículas deplástico, metal, polvos cerámicos o de vidrio en una masa que tiene la forma tridimen-sional deseada. El láser funde selectivamente el material en polvo mediante el escaneode las secciones transversales (o capas) generados por el programa de modelado en 3Den la superficie de un lecho de polvo. Después de escanear cada sección transversal,el lecho de polvo se reduce en un espesor de capa. A continuación, una nueva capa dematerial se aplica en la parte superior y el proceso se repite hasta que se completa elobjeto (ver Figure 6).

Todo polvo sin tocar permanece tal como está y se convierte en una estructura desoporte para el objeto. Por lo tanto no hay necesidad de ninguna estructura de soporteque es una ventaja sobre SLS y SLA. Todo el polvo no utilizado se puede utilizar parala siguiente impresión. SLS fue desarrollado y patentado por el Dr. Carl Deckard en laUniversidad de Texas a mediados de 1980, bajo el patrocinio de DARPA [36].

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Fig. 6: Proceso de Sinterización selectiva por láser (SLS).

4.2 Modelado por deposición fundida (FDM).

La tecnología FDM funciona utilizando un filamento de plástico o alambre demetal que se desenrolla de una bobina o rollo y suministra el material a una boquilla deextrusión que puede encender o apagar el flujo. La boquilla se calienta para fundir elmaterial y puede moverse tanto en sentido horizontal como vertical mediante un mecan-ismo de control numérico, controlada directamente por un software de fabricación asis-tido por ordenador (CAM). El objeto se produce mediante la extrusión de material fun-dido para formar capas como el material se endurece inmediatamente después de laextrusión desde la boquilla (ver Figure 7).

FDM fue inventado por Scott Crump a finales de los 80. Después de patentar estatecnología comenzó la compañía Stratasys en 1988. El software que viene con estatecnología genera automáticamente las estructuras de apoyo si es necesario. La máquinasuministra dos materiales, uno para el modelo y otra para formar una estructura desoporte desechable.

El término modelado por deposición fundida y su abreviatura FDM son marcasregistradas por Stratasys Inc. El término exactamente equivalente, fabricación por fil-amento fusionado (FFF, por sus siglas en ingles), fue acuñado por los miembros delproyecto RepRap para dar una frase que esté legalmente sin restricciones en su uso[36].

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Fig. 7: Proceso de Modelado por deposición fundida (FDM).

4.3 Estereolitografía (SLA).

La tecnología principal en el que la foto polimerización se utiliza para producir unapieza sólida de un líquido es SLA. Esta tecnología emplea una tina de resina curablepor radiación ultravioleta de fotopolímero líquido y un láser ultravioleta para construirlas capas del objeto de uno en uno. Para cada capa, el rayo láser traza una seccióntransversal del patrón de la parte en la superficie de la resina líquida. La exposición ala luz del láser ultravioleta cura y solidifica el patrón trazado en la resina y se une a lacapa de abajo.

Después de que el patrón ha sido trazado, la plataforma del elevador del SLA de-sciende por una distancia igual al grosor de una sola capa, típicamente 0,05 mm a 0,15mm. Entonces, una cuchilla rellena de resina hace un barrido a través de la seccióntransversal de la pieza, recubriéndolo con material fresco (ver Figure 8). En esta nuevasuperficie del líquido, el patrón de la capa posterior se traza, uniéndose a la capa an-terior. El objeto tridimensional completo es formado por este proceso. La Estereoli-tografía requiere el uso de estructuras de soporte que sirven para fijar el objeto a laplataforma ascensora.

Esta técnica fue inventada en 1986 por Charles Hull, que también en el momentofundó la empresa, 3D Systems [36].

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Fig. 8: Proceso de Estereolitografía (SLA).

5 Aplicaciones.

5.1 Industria.

El uso común de las impresoras 3D es para la impresión de prototipos de produc-tos, el uso de la impresora ha abaratado y acelerado el diseño de nuevos productos, conél se puede ver el resultado final de un diseño (ver Figure 9) y poder realizar las mejorasque sean necesarias, o desarrollar moldes de partes (ver Figure 10).

Fig. 9: Modelo de Motor de combustión interna hecho con una impresora 3D.

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Fig. 10: Modelo de motor a reacción hecho con una impresora 3D.

Para los arquitectos la impresión 3D ha facilitado y acelerado el desarrollo de lasmaquetas de sus diseños (ver Figure 11).

Fig. 11: Maqueta realizada con impresora 3D.

El uso de impresoras 3D no se limita a solo a la impresión de maquetas, en Ámster-dam diseñaron la impresora 3D más grande del mundo, la Kamer Maker (”fabricantede habitaciones”), de seis metros de alto y cubierta con la carcasa de un contenedorde transportes, para la construcción de una casa (ver Figure 12). La máquina utilizarádiversos tipos de plásticos y fibras de madera para materializar los planos de la casa yde sus muebles, generados por ordenador. Primero se construirán las paredes exteriores,luego los techos y finalmente los muebles.

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Fig. 12: La impresora 3D más grande del mundo.

A continuación las piezas se ensamblaran como un gran rompe cabezas. El procesode impresión de un edificio abarata y acorta el de un edificio convencional. Mientras unedificio construido tradicionalmente requiere un plazo de seis años desde la concepcióna la ejecución, un proyecto 3D como el que se está llevando a cabo en Ámsterdam estaráterminado antes de 1 año [16].

Las empresas productoras de juguetes también están comenzando a imprimir susjuguetes (ver Figure 13).

Fig. 13: Juguete hecho con impresora 3D.

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Las empresas dedicadas a la moda también han comenzado a utilizar las impresoras3D. La reconocida marca de calzados deportivos NIKE ha desarrollado un botín defutbol totalmente hecho con una impresora 3D, el modelo es conocido como ”NIKEVAPOR LASER TALON: ligero como el vapor, veloz como el láser” (ver Figure 14)[17]. Victoria’s Secret ha desarrollado lencería hecha con impresoras 3D [18], tambiénse han hecho vestidos, zapatos, etc.

Fig. 14: Botines de futbol hechos con impresora 3D.

La compañía Local Motors ha desarrollado un vehículo totalmente hecho con unaimpresora 3D en 44hs, lo hicieron en IMTS 2014 - Feria de Tecnologías Inteligentes deFabricación - en vivo, el proceso total duro 6 días pero solamente tomo 44hs ininter-rumpidas (ver Figure 15) [19], el vehículo es eléctrico y es para 2 personas hecho conplástico ABS mezclado con fibra de carbono y se llama Strati (capas, en italiano, enalusión a que se manufactura agregando lámina sobre lámina) [20].

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Fig. 15: Strati, el primer automóvil hecho con una impresora 3D.

La empresa catalana Natural Machines ha lanzado al mercado la primera impresora3D de comida (ver Figure 16). Foodini, como se llama la máquina, permite prepararcomida utilizando la tecnología de impresión en tres dimensiones, haciendo posibledar cualquier forma a los alimentos que se ”imprimen”, tanto dulces como salados,como hamburguesas, panes, chocolate o pasta, tendrá un costo dee1.000. La impresoraFoodini funciona con conexión a internet y dispone de una pantalla táctil desde la quese pueden elegir recetas o diseñar un plato original [21].

Fig. 16: Impresora 3D Foodini.

5.2 Hogares u Oficinas

Las impresoras 3D están incursionando en los hogares cada vez más, las com-pañías están desarrollando impresoras más económicas y de menor tamaño para el usodoméstico como los mencionados en la sección 3.2, con estas impresoras uno podríaimprimir prácticamente cualquier cosa, desde una taza hasta un repuesto para algún

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artefacto que tenga en la casa, hasta ahora las impresoras 3D desarrolladas para el hogarimprimen con algún tipo de plástico, pero en un futuro podría ser posible imprimir ob-jetos de prácticamente cualquier material.

5.3 Medicina

La impresión 3D ha tenido mucho avance en la medicina, inicialmente se hacíanprótesis de plásticos e incluso metales, pero en la actualidad se ha llegado a desarrollarpequeños órganos con células vivientes. En este proceso, las capas de células vivas sedepositan sobre un gel o matriz de azúcar y lentamente son construidos formando es-tructuras 3D, incluyendo sistemas vasculares. El primer sistema de producción para laimpresión de tejidos 3D se entregó en 2009, basada en la tecnología bioprinting Novo-gen. China ha entregado casi $500 millones para la creación de 10 institutos nacionalesde desarrollo de impresión 3D. En 2013, científicos chinos empezaron a imprimir ore-jas, hígados y riñones, con el tejido vivo. Los investigadores en China han sido capacesde imprimir con éxito órganos humanos utilizando bio-impresoras 3D especializadosque utilizan las células vivas en lugar de plástico. Investigadores de la UniversidadHangzhou Dianzi han ido tan lejos como inventar su propia impresora 3D para dichopropósito, llamado ”Regenovo” es una bio-impresora 3D [1]. Esta impresora tiene unavelocidad de 170mm/s y puede imprimir objetos de 160 x 160 x 150 mm [22]. Esta im-presora puede imprimir una mini oreja o nariz en media hora a una hora; imprimir unamáscara humana del tamaño de la palma de la mano llevo 4 horas, y solo se utilizó 50ml de hidrogel. El 90% de las células impresas estaban vivas, y pueden sobrevivir hasta4 meses [23]. Para imprimir un riñón, los investigadores primero imprimen un andamioutilizando hidrogel y células vivas. Luego las células son cultivadas para formar tejidosy órganos funcionales (ver Figure 17). El hidrogel es degradado cuando el proceso haculminado.

Fig. 17: Riñones impresos con la impresora 3D Regenovo.

El problema que tiene es que la precisión no es suficiente, la estructura de célulasde hígado impresas es 5 veces más grandes que las células normales. Con la tecnología

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actual es imposible imprimir células vivas y vasos sanguíneos simultáneamente. Losórganos impresos son distintos a los que uno se imaginaria, carecen de color, vasos san-guíneos y nervios. Los científicos esperan imprimir hígados y riñones funcionales paratrasplantes en los próximos 10 a 15 años. El costo que tuvo desarrollar esta impresoraes de $164.000 aproximadamente [23].

El Hospital de la Universidad de Pekín han realizado con éxito una operación deimplante de una vértebra cervical. Tras varios ensayos clínicos, los médicos decidieronque Minghao, un chico de 12 años con un tumor cancerígeno en su segunda vértebracervical, era el candidato ideal para implantar, por primera vez, una pieza exactamenteigual a su hueso, pero de titanio. El procedimiento estándar para este tipo de operaciónconsiste en quitar el hueso original y sustituirlo por un tubo de titanio que se une a lasvértebras contiguas con tornillos y un cemento especial. El trasplante hecho de titanio-que se fabrica en unas 12 horas- contiene unos pequeños poros que permiten que elhueso real crezca de forma natural a través de éstos y se integre en la estructura desu columna vertebral, algo que, según el cirujano, se verá en los próximos meses (verFigure 18) [29][30][31].

Fig. 18: Implante de titanio de una vértebra cervical.

La utilización de esta tecnología en el campo de la cirugía no es nueva en China.Solamente este hospital ha hecho más de 60 operaciones con éxito en las que ha cam-biado partes de los huesos naturales por otros de titanio. Los ensayos que se hacen conlos animales también dan buenos resultados. Además, esta nueva tecnología abre in-finitas posibilidades en este campo: un granjero de la provincia occidental de Shaanxicuyo cráneo quedó aplastado tras una caída desde un tercer piso también se someterápróximamente a una cirugía en la que le implantarán parte de este hueso creado poruna impresora 3D. Los médicos que le operarán han fabricado, como hicieron los dePekín, una malla de titanio a su medida en la que el cráneo irá creciendo en su interiorde forma natural si la operación sale bien.

Médicos del Hospital Infantil de Boston han desarrollado una réplica exacta delcerebro de un paciente con una impresora 3D para realizar una operación riesgosa. El

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paciente sufría de ataques de epilepsia que tenía un efecto perjudicial en su cerebro porlo cual decidieron realizar una hemisferectomía, procedimiento donde se desconecta elhemisferio sano del cerebro del hemisferio donde se producen los ataques de epilep-sia. Dada la complejidad del procedimiento, los médicos decidieron primero crear unaréplica exacta del cerebro del paciente para practicar. El modelo del cerebro se hizo apartir de tomografías computarizadas. La réplica fue hecha con un plástico blando ycon una precisión de 16 micras por capa [28].

También en la Universidad de Medicina de San Paulo, en Brasil, unos neurociru-janos han desarrollado una réplica exacta del cerebro de un paciente para practicar antesy durante una operación.

Un británico obtuvo una reconstrucción gracias a una prótesis hecha con una im-presora 3D. El británico tuvo una operación donde el lado izquierdo de su rostro fueremovido debido a un tumor que crecía bajo la piel. A través del análisis de lo quequedaba de su cráneo y el uso de computadoras para recrear el rostro a partir del ladoderecho de su rostro (ver Figure 19) [26].

Fig. 19: Prótesis facial hecha con impresora 3D.

Se han desarrollado prótesis de manos y brazos con un costo de $100 [27], al igualque prótesis de manos solos con un costo de $150 el cual podría disminuir [25].

Jake Evill, un estudiante graduado de la Universidad de Wellington, ha desarrolladoun molde que puede reemplazar el uso de yesos y férulas, el molde Cortex (ver Figure20), el cual es desarrollado con una prueba de rayos X y una impresora 3D (ver Figure21). Este prototipo usa materiales reciclados hechos de poliamida. Es lo suficientementedelgado y ligero como para caber, por ejemplo, debajo de la manga de una camisa ygracias a que es ventilado no tiene mal olor además es lavable y uno se puede bañar conél.

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Fig. 20: Imagen del molde Cortex.

Fig. 21: Proceso de desarrollo del molde Cortex.

También se han hecho operaciones exitosas con implantes, como por ejemplo unapelvis de titanio, una mandíbula de titanio y una férula traqueal de plástico.

5.4 Vuelo Espacial

La NASA está realizando pruebas con la compañía Made in Space para evaluar elpotencial de la impresión en 3D para hacer la exploración espacial más barata y máseficiente. Partes de un cohete construidas con esta tecnología han pasado las pruebasde encendido de la NASA. En julio de 2013, dos inyectores de motores de cohetesfuncionaron tan bien como piezas de construcción tradicional durante las pruebas encaliente de fuego que les exponen a temperaturas cercanas a 6.000 grados Fahrenheit(3.316 grados Celsius) y presiones extremas. La NASA también está preparando el

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lanzamiento de una impresora 3D en el espacio; la agencia espera demostrar que, conla impresora haciendo repuestos a medida que se necesitan, los astronautas no tendránque llevar grandes cargas de repuestos con ellos [1].

Demostración de la impresión 3D con la Tecnología Zero-G (impresión 3D congravedad cero), el experimento demuestra que una impresora 3D funciona con normal-idad en el espacio. Realizando pruebas de una impresora 3-D utilizando materia primaplástica a temperatura relativamente baja en la Estación Espacial Internacional es elprimer paso hacia el establecimiento de un taller de máquinas bajo demanda en el es-pacio, un componente crítico propicio para misiones en el espacio con tripulación y lafabricación en el espacio [32].

La NASA está financiando el estudio de uso de impresoras 3D para ”imprimir”comida en el espacio, punto importante para la realización de misiones espaciales másextensos y lejanos, hasta ahora la NASA selecciona las comidas que los astronautasllevaran en sus misiones y deben calcular la cantidad necesaria para que cada uno deellos este bien alimentado durante dicha misión, ninguno de los tripulantes tiene laposibilidad de realizar sus propias comidas con sus propias recetas.

La NASA ha otorgado un contrato Small Business Innovation Research (SBIR) defase 1 a Systems and Materials Research Consultancy de Austin, Texas para estudiar laviabilidad de utilizar la fabricación aditiva, más conocida como la impresión 3D, parala fabricación de alimentos en el espacio. Systems and Materials Research Consultancyllevará a cabo un estudio para el desarrollo de un sistema alimentario 3D impresos paralas misiones espaciales de larga duración. Las propuestas de la fase 1 SBIR están en unaetapa muy tempranera en los conceptos y puede como puede que no lleguen a crearseel sistema. Esta tecnología de impresión de alimentos puede resultar en un estudio defase II, que todavía va a estar a varios años de ser probado en un vuelo espacial real.

La NASA reconoce que la fabricación aditiva en el espacio ofrece el potencial denuevas oportunidades para la misión, ya sea ”impresión” de alimentos, herramientas ouna nave entera. La fabricación aditiva ofrece oportunidades para obtener los mejoressistemas de ajuste, forma y distribución de materiales para el viaje espacial lejano. Estaes la razón por la que la NASA es un socio líder en la Red Nacional para Fabricación eInnovación del Presidente y la Iniciativa de Manufactura Avanzada.

5.5 Futuras Aplicaciones.

En un futuro cercano el uso doméstico de las impresoras 3D estarán más meti-das en la cultura común de las personas, tener una impresora 3D será tan común comotener una impresora de documentos en la actualidad, se podría llegar a desarrollar unaimpresora que no solo imprima documentos, sino también fotografías junto con el por-tarretrato ya incorporado, incluso uno podría llegar a seleccionar una gran cantidad defotografías e imprimir ya un álbum entero con ellas. Las compañías dedicadas a la modapodrían guardar sus diseños en un archivo y subirlas a sus páginas web y los usuariossolo necesitarían ingresar y comprar dicho diseño e imprimir el vestido o zapato en suspropios hogares. Lo mismo se podría dar con las compañías creadoras de juguetes yprácticamente con cualquier cosa.

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La NASA está invirtiendo en el estudio y desarrollo de impresoras 3D para el usoen el espacio ya sea para la ”impresión” de alimentos, repuestos, herramientas a medidaque sean necesarias o incluso una nave exploradora en el momento que sea necesario.

La medicina está avanzando a pasos agigantados en el uso de las impresoras 3D, enla actualidad se utilizan para desarrollar prótesis e implantes ya sean de plásticos, met-ales o incluso un tipo de parecido al hueso pero se está investigando la posibilidad derealizar trasplantes con órganos creados con impresoras 3D y hechos específicos paracada paciente, con esto se salvarían millones de vidas alrededor del mundo. Se podríallegar a imprimir manos, brazos, piernas para reemplazar a alguno faltante con las mis-mas células del paciente con lo cual no habrían inconvenientes con la compatibilidad.

Los usos que se podrían llegar a dar a la impresión 3D son infinitos.

6 Propiedad Intelectual.

La impresión en 3D ha existido durante décadas en algunas industrias manufac-tureras donde muchos regímenes jurídicos, incluidas las patentes, derechos de diseñoindustrial, derechos de autor, y hasta la marca comercial pueden aplicar. Sin embargo,no hay mucha jurisprudencia que diría cómo se aplicarán estas leyes si las impresoras3D se convierten en el uso común corriente y los individuos y las comunidades de afi-cionados comienzan a fabricar artículos para uso personal, para la distribución sin finesde lucro, o para la venta.

Cualquiera de los regímenes jurídicos mencionados podrá prohibir la distribuciónde los diseños utilizados en la impresión 3D, o la distribución o venta del artículo im-preso. Para que se le permita hacer estas cosas, donde una propiedad intelectual activaparticipó, una persona tendría que ponerse en contacto con el propietario y pedir unalicencia, que puede venir con condiciones y un precio.

Las patentes cubren procesos, máquinas, manufacturas, y las composiciones de lamateria y tienen una duración finita que varía entre los países. Por lo tanto, si un tipo derueda está patentado, imprimir, usar o vender una rueda de este tipo podría ser una vio-lación de la patente. Derecho de Autor abarca una expresión en un medio fijo tangibley a menudo dura la vida del autor más 70 años a partir de entonces. Si alguien presentauna estatua, que puede tener derechos de autor en el aspecto que tiene la estatua, y sialguien ve la estatua, no pueden entonces distribuir diseños para imprimir una estatuaidéntica o similar.

La dificultad está en cómo se puede controlar eso, una persona podría comprarun diseño y luego publicarlo en alguna página web donde muchas personas podríandescargarla y utilizarla, como ya ocurre con las músicas, películas, etc. La impresión3D podría llegar a crear un nuevo tipo de piratería a nivel mundial.

7 Controversias.

Las autoridades de muchas partes del mundo están preocupados por el uso de lasimpresoras 3D para imprimir armas de fuego, el primer caso registrado fue el del armaThe Liberator, el liberador es un ”physible”, neologismo acuñado por www.thepiratebay.com

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para hacer alusión a archivos o planos para impresoras 3D, es una pistola de mano de unsolo tiro, el primer diseño del arma de fuego imprimible se hizo ampliamente disponibleen línea (ver Figure 22). La firma de código libre Defense Distributed diseñó el armay lanzo los planos en internet el 6 de mayo de 2013. Los planos fueron descargadosmás de 100.000 veces en dos días hasta que el Departamento de Estado de los EstadosUnidos exigió a Defense Distributed retirar los planos.

Fig. 22: Imagen de la pistola The Liberator hecho con una impresora 3D.

Los planos del arma permanecen alojados en la Internet y están disponibles en lossitios web de intercambio de archivos como The Pirate Bay.

La policía de Yokohama (sur de Tokio) informó de la detención de un hombre porposesión de varias pistolas creadas con impresoras 3D e idénticas a armas reales. Elhombre fue detenido con 2 armas de apariencia real y luego de haber sido probados sedeterminaron que eran letales. La policía comenzó a investigar al sospechoso tras hallarun vídeo suyo en internet en el que muestra las pistolas y afirma haberlas creado contecnología 3D.

Países como Estados Unidos o Reino Unido ya han alertado sobre el fácil accesoa estos dispositivos y sobre la disponibilidad en la web de diseños para imprimir lasarmas, que al estar elaboradas con resina pueden pasar inadvertidas por detectores demetales [34].

Como con cualquier nueva tecnología, es fácil dejarse arrastrar por los beneficiosde la impresión 3D. Se abre un mundo de nuevas posibilidades para todas las indus-trias, y propone la disminución de los costos de transporte, los impactos ambientales,los residuos, y la dependencia de las empresas al permitir la fabricación móvil. Perolas impresoras 3D son todavía máquinas derrochadoras, potencialmente peligrosos, ysus impactos sociales, políticos, económicos, y ambientales aún no se han estudiadoampliamente. A continuación se enumeran algunos puntos a tener en cuenta:

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Las impresoras 3D son devoradores de energía

Cuando se derrite plástico con calor o láser, las impresoras 3D consumen alrededorde 50 a 100 veces más electricidad que el moldeo por inyección para hacer un artículodel mismo peso, según un estudio de la Universidad de Loughborough. En 2009, lainvestigación en el programa de fabricación ambientalmente benigna del MIT mostróque la deposición de metal por láser directo (donde polvo de metal se fusionan) utilizócientos de veces la electricidad en comparación a la fundición o mecanizado tradicional.Debido a esto, las impresoras 3D son mejores para pequeñas producciones. Las impre-soras 3D de tamaño industrial pueden no ser la respuesta a la disminución de nuestrouso de energía a corto plazo.

Emisiones atmosféricas poco saludables

Las impresoras 3D pueden suponer un riesgo para la salud cuando se utiliza en elhogar, de acuerdo con los investigadores del Instituto de Tecnología de Illinois. Lasemisiones de las impresoras 3D de escritorio son similares a la quema de un cigarrilloo cocinar en una estufa de gas o eléctrica. Un estudio en 2013 fue el primero en medirestas emisiones de partículas suspendidas en el aire de las impresoras 3D de escritorio.Mientras que se realiza el calentamiento del plástico y la impresión de pequeñas figuras,las máquinas que utilizan filamento de PLA emite 20 mil millones de partículas ultra-finas por minuto, y los ABS emiten hasta 200 mil millones de partículas por minuto.Estas partículas pueden instalarse en los pulmones o al torrente sanguíneo y planteanriesgos para la salud, especialmente para las personas con asma.

La dependencia en los plásticos

Uno de los mayores movimientos ambientales en la historia recientemente ha sidola de reducir la dependencia de los plásticos, desde las bolsas de compra a las botellasde agua a los objetos domésticos que se pueden hacer a partir de materiales recicladosen su lugar. Las impresoras 3D más populares, y las más baratas, utilizan filamentos deplástico. Aunque el uso de materias primas reduce la cantidad de residuos en general,las máquinas todavía dejan plástico no utilizado o el exceso en las bases de los soportesde impresión. PLA es biodegradable, pero el filamento de ABS es todavía el tipo deplástico más comúnmente utilizado. El resto del plástico termina en los vertederos. Sila impresión 3D va a ser industrializada, es necesario que ese resto u otro plástico reci-clado sean reutilizados.

Propiedad intelectual y licencias

En enero de 2014, 3D Systems adquirió Gentle Giant Ltd., propietaria de los dere-chos de concesión de licencias a las franquicias de juguetes, tales como El Hobbit, TheWalking Dead, Harry Potter, Alien, y Star Wars. Las empresas pueden perder por lomenos $100 mil millones en cuatro años por los propietarios de licencias o de propiedadintelectual. La impresión 3D cambiará el mercado y el negocio del mercado negro de

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estos artículos y la legislación tendrá que apresurarse para ponerse al día. Esta potencialsituación de la piratería digital es comparable a la forma en que la Internet desafió a lasindustrias del cine y de la música de los derechos de autor, marcas comerciales y lasdescargas ilegales.

Huecos en el control de armas

La primera impresión 3D exitosa de un arma es noticia vieja, pero sus ramifi-caciones son muy importantes. Las empresas están apareciendo por todo el mundo,tratando de vender estas armas y/o los diseños CAD para ellos. La empresa de in-geniería Solids Concepts incluso ha disparado balas con la primera pistola de metalimpresa en 3D. La ley del Congreso de los Estados Unidos de Armas de Fuego inde-tectables, en la que prohíbe las armas que no pueden ser detectadas por los detectoresde metales o escáneres de rayos X, se renovó por 10 años. Sin embargo quedo un huecoen la ley: armas impresas en 3D con una pequeña pieza de metal no están prohibidaspor la ley. Los legisladores están tratando de reparar ese hueco legal ahora, después queel Congreso ignoró el tema desde hace bastante tiempo, con requisitos especiales parapistolas impresas.

La responsabilidad de los fabricantes

Las armas pueden ser impresas en 3D. Como también pueden ser impresos equiposde seguridad como cascos, ruedas para bicicletas, y juguetes para los niños pequeños.Por supuesto está el tema de la propiedad intelectual y marca registrada, pero la cuestiónmás importante es la responsabilidad. Si una persona dispara un arma de fuego y daña omata a alguien, apuñala a alguien con un cuchillo 3D impreso, o rompe su cuello mien-tras viajaba en una bicicleta con un casco 3D impreso, ¿Quién tiene que rendir cuentas?¿El propietario de la impresora, el fabricante de la impresora, o la persona irresponsableque pensó que era una buena idea producir y utilizar un producto no probado?

La ética y la regulación en la bio-impresión

Las conversaciones sobre la ética de la bio-impresión ya han comenzado. Organovoestá imprimiendo las células del hígado, así como las células del tejido del ojo en unaasociación con el Instituto Nacional del Ojo y el Centro Nacional para el Avance de lasCiencias Traslacional. Los científicos también han propuesto la mezcla de las célulasmadre humanas con células de músculo canino para crear tejido de órgano mejorado.La impresión de cartílago sigue siendo el tipo más realista de bio-impresión, y la im-presión de órganos enteros todavía está a muchos años de distancia, pero la impresión3D está creciendo en la medicina con bastante rapidez. Las conversaciones sobre lascuestiones morales, éticas y legales que rodean la bio-impresión han comenzado, peroinevitablemente causarán mucho más polémica a medida que se vuelve más común.

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La posibilidad de imprimir drogas

La unión de compuestos químicos en un nivel molecular utilizando una impresora3D es posible. Un investigador de la Universidad de Glasglow ha creado un prototipode un “Chemputer” 3D que produce drogas y medicina. Él quiere revolucionar la in-dustria farmacéutica al permitir a los pacientes imprimir su propia medicina con unmodelo químico que obtienen de la farmacia. Por supuesto, queda mucho camino porrecorrer antes de que alguien pueda tener una “Chemputer”, pero permitiría a que unohaga desde cocaína hasta casi cualquier droga o medicamento.

Seguridad de los artículos que entran en contacto con los alimentos

Uno puede imprimir un tenedor o una cuchara con su impresora MakerBot, pero sise utiliza plástico ABS, no es libre de BPA. Por suerte, los nuevos filamentos, que sonmás seguros para poner en su boca, se están creando por esta razón específica, pero queaún no están ampliamente disponibles. Muchas impresoras 3D tienen espacios dondelas bacterias pueden crecer fácilmente si no se limpian correctamente. Con el fin deproducir de forma más segura alimentos y utensilios de cocina 3D impresos, puedehaber una necesidad de una máquina aprobada por la entidad reguladora de alimentos,como por ejemplo la FDA en los Estados Unidos. La gente probablemente no quierecomer pizza genéticamente creada, como por ejemplo con una impresora 3D, en platostóxicos [35].

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8 Conclusión.

La impresión 3D está incursionando en prácticamente todos los campos demostrandoque tiene un potencial al parecer ilimitado. Sin importar la aplicación que se le dépareciera que todo lo puede, desde diseños casi imposibles, acelerar y abaratar prototi-pos de prueba y la fabricación de un producto, imprimir hogares completos desde labase hasta el techo, desarrollando vehículos de bajo costo, prótesis hechas a medidahasta órganos para ser trasplantados, llegando hasta el uso espacial.

Se podría pensar que cualquier cosa puede imprimirse con esta tecnología, y prác-ticamente es así, llegando al punto en que es posible imprimir un arma de fuego, quesiendo en gran parte de plástico pasa desapercibido con los detectores de metales yvolviéndose una gran amenaza. A pesar de esto, la impresora 3D tiene mucho potencialpositivo, en un futuro se podrían salvar millones de vidas con los trasplantes de órganoshechos a medida, los miembros amputados podrían ser reemplazados por otro miembrohecho con las células vivas de cada paciente. Los avances tecnológicos son una pruebade que todo es posible y la imaginación es el único límite.

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