Impresión 3D.

impresión 3D marina bermejo raquel fernández sergio martín fernando polanco isabel toledano

composición

índice 07 08 10 16

técnica y tipos proceso de impresión técnicas de impresión materiales de impresión

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historia y evolución antecedentes en la producción desarrollo usos actuales

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aplicaciones en la arquitectura

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La impresión 3D, cuya evolución comienza en los años ‘80, es todavía hoy una tecnología no completamente integrada en la actividad arquitectónica. La impresión 3D es indisociable del software de dibujo asistido por ordenador, capaz de generar ahora modelos tridimensionales del proyecto de manera muy precisa e incluso de albergar en él datos referentes a su construcción. La impresora 3D, recibiendo el archivo desde el ordenador, reproduce fielmente el diseño que el arquitecto tiene en la cabeza: en la obra, el intermediario entre el proyecto y su construcción se traslada desde la factura humana a la digital, sin interpretación y con mayor precisión; pero aún no hemos llegado a este punto. Esta tecnología, una vez transferida al campo de la arquitectura, puede generar un cambio en su paradigma.

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tĂŠcnica y tipos

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proceso de impresión Estas máquinas de control numérico trabajan sobre las coordenadas X, Y y Z que permiten exportar el diseño creado en un ordenador a una pieza real y física.

En el proceso que va desde la fase de preparación del modelo hasta la de fabricación del prototipoparticipan diferentes partes que deben interactuar y trabajar juntas fluidamente: -

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Modelación digital: En primer lugar, será necesario crear un modelo 3D digital del objeto que se quiere realizar, generalmente con el software CAD (Diseño Asistido por Ordenador), programas como AutoCad, Rhinoceros, 3DStudio Max… Exportación: Es importante saber que, a la hora de generar un archivo, este debe ser en formato STL*, y que este contenga toda la información geométrica necesaria para representar el modelo digital.

Rebanado: Convertir el modelo digital, una representación tridimensional de una superficie hermética subdividida en una malla triangular, en una lista de comandos que la impresora 3D pueda entender y ejecutar. Una vez configurados los diferentes parámetros, se procede a trocear el modelo unido al material de soporte requerido en distintas capas. Se procede a la visualización mediante un ejecutable G-Code** del proceso de impresión,

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con lo que se podrán corregir posibles errores.

Conexión: Generar un enlace entre el ordenador y la impresora, mediante una conexión de puerto USB; o directamente copiando el archivo en una tarjeta de memoria que pueda ser leído por la impresora.

Impresión: Previamente, es importante limpiar y observar que se encuentra en buen estado la superficie de trabajo.

Acabado: Se extrae de la plataforma de impresión el objeto creado y se eliminan las partes adicionales si están presentes, para limpiar su superficie.

Del pensamiento, al diseño y a su materialización: el proceso de la impresión 3D 09

técnicas de impresión La incipiente creación de objetos tridimensionales a través de técnicas aditivas o de compactación podría superar el desarrollo de productos mediante el empleo de moldes o de la extracción o sustracción de material bruto.

Existe una gran diversidad de métodos disponibles para la impresión 3D. Sus principales diferencias se encuentran en el proceso de formación de capas para crear piezas.

En el mercado actual destacan dos grandes grupos: las impresoras de adición que depositan la materia prima por capas y las impresoras de compactación, que compactan la materia prima para crear objetos.

Las principales tecnologías disponibles son: Modelado por deposición fundida, MDF Esta técnica de extrusión fue desarrollada por la compañía norteamericana Stratasys al principio de la década de los noventa. Consiste en la creación de objetos mediante la adición pura de material sin 10

emplear ningún tipo de aglutinado o curado más que la propia disposición sobre la capa anterior.

Las limitaciones de este proceso vienen definidas por la metodología empleada, ya que la impresión de cada capa se realiza comenzando por el contorno y rellenando luego según una malla específica. Para asegurar la plena adherencia entre las capas se mantiene la cavidad donde se está realizando el objeto a una determinada temperatura según el material empleado. Es muy común en prototipado rápido tradicional y, dado su bajo coste, se ha popularizado mucho a nivel doméstico.

Los materiales que es posible emplear con esta técnica son termoplásticos, metales eutécticos y materiales comestibles.

Modelado por deposición fundida

Otro enfoque es fundir de manera selectiva el medio de impresión sobre una base granular. En esta variación el medio no fundido sirve de soporte para los resaltes y paredes delgadas de la pieza a producir, reduciendo así la necesidad de soportes auxiliares temporales. Típicamente un láser es usado para sinterizar el medio y formar el sólido.

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Sinterizado directo de metal por láser (DMF) Cuando se empezó a trabajar con metales como material apto para las impresoras 3D, primero se pensó en objetos de “rapidtooling”, es decir, herramientas conformadas en procesos sencillos para trabajos de manufactura de otros productos.

Cepillado de polvo de metal de piezas fabricadas con DMLS

Conformación de red tecnológica por láser (LENS) Esta tecnología inyecta la materia prima en polvo y la funde mediante un rayo láser de alta potencia de modo que las partículas que alcanzan el punto de fuga del laser se funden al instante con la superficie de la pieza que se está imprimiendo. Gracias a esta nueva tecnología es posible incluir en el mundo de la impresión 3D metales como el titanio o el acero inoxidable. En este tipo de impresora es posible emplear varios cabezales de impresión por lo que se podría estar hablando del desarrollo de objetos impresos con diversas aleaciones metálicas.

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Fusión por haz de electrones (EBM) Esta técnica es similar a la de conformación por láser, siendo ambas un tipo de manufactura aditiva. EBM fue patentada por Arcam y desarrolla su impresión con una cama de polvo por fusión y emplea como energía un haz de electrones que derrite el polvo de metal capa por capa.

Se emplea sobre todo en aleaciones de titanio.

Sinterizado selectivo por láser El sinterizado selectivo por láser desarrollado desde 1992 por DTM funde una superficie de polvo que se encuentra sobre una cubeta mediante un rayo láser. Una vez fundida una capa, un rodillo dispone una nueva capa de polvo por encima y el proceso se repite. En este caso el polvo actúa como soporte para la pieza. Se suelen emplear termoplásticos, polvosmetálicos y polvos cerámicos.

Existe una tercera tecnología que consiste en la fotopolimerización y engloba tres tipos de impresión, la fotopolimerización por luz ultravioleta,la fotopolimerización por absorción de fotonesy la estereolitografía.

Estereolitografía (SLA) La tecnología SLA, desarrollada en 1987 por la compañía norteamericana 3D-Systems, utiliza resinas líquidas fotopoliméricas que se solidifican cuando son expues13

tas a la luz emitida por un láser ultravioleta.

De esta forma se van creando capas superpuestas de resina sólida que van conformando el objeto tridimensional. Cada vez que una capa es trazada, la plataforma de trabajo desciende para rellenar de nuevo la superficie con resinas, siendo las más comunes la epoxy o la acrílica.

Impresión por estereolitografía

Con este método no se obtiene un producto final, sino que será necesario limpiar el material sobrante, pulir a manos la superficie o incluso aplicar un curado final en un horno de luz ultravioleta.

Una de las mayores ventajas de esta técnica es la precisión que alcanza, con capas de hasta diez micrómetros. Se suelen emplear materiales fotopolímeros y resinasfotosensibles.

Fotopolimeración por luz ultravioleta (SGC) Estas impresoras se basan en la disposición de material en pequeñas cantidades a través de cabezales con numerosas boquillas.En este proceso un recipiente de polímero líquido es expuesto a la luz de un proyector DLP bajo condiciones controladas, hasta que el polímero líquido ex14

puesto endurece. La placa de montaje se mueve hacia abajo con desplazamientos pequeños y el polímero es expuesto de nuevo a la luz. El proceso se repite hasta que el modelo es construido.El material utilizado para el modelo principal es fotopolímero acrílico y para las estructuras secundarias de soporte otro tipo de gel, que posteriormente es extraído del recipiente, dejando únicamente el modelo sólido.

Fotopolimerización por absorción de fotones Mediante el mecanismo de fotopolimerización por absorción de fotones se pueden conseguir detalles muy definidos.En esta variación, el objeto 3D deseado es trazado en un bloque de gel con un láser. El gel es curado y se solidifica sólo en los lugares en donde el láser es enfocado debido a la no linealidad óptica de la fotoexcitación, después de la etapa de láser, el gel restante es lavado. Esta técnica ofrece tamaños de menos de 100 nm siendo fácilmente fabricables tanto en estructuras complejas de partes móviles como en fijas.

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materiales de impresión Hasta ahora las impresoras 3D han empleado principalmente plásticos, metales, cerámicas, preparados comestibles semisólidos, hormigones o vidrios. Todos ellos se han comercializado en forma de polvo, líquidos, gel, filamentos vendidos en bobinas al peso o mezcla de componentes.

Los metales son una materia prima que ha empezado a tener cabida en el mundo de la impresión 3D. Alguno consiste en la fusión de polvo de metal mediante rayo láser para posteriormente introducir el objeto en un horno caliente que queme el aglutinante. Otros métodos extruyen directamente el material fundido.

También se han empezado a desarrollar impresoras 3D que trabajan con materiales cerámicos, proporcionando objetos de superficies suaves que pueden tener una aplicación directa en implantes médicos de huesos. Estos tendrían grandes ventajas frente a los convencionales que se han realizado hasta el momento, ya que sería posible fabricarlos a medida, con menos poros y, por tanto, más resistencia.

El vidrio es uno de los materiales menos desarrollados en este campo debido a su falta de compatibilidad con el agua. Se 16

está utilizando sobre todo en los campos del arte y la joyería. Utiliza latecnología de deposición fundida (impresión a 1640ºC) y tiene una precisión limitada.

Los materiales más utilizados hasta ahora en las diferentes técnicas de impresión 3D han sido los plásticos y los polvos formados por este material. Estos plásticos se subdividen principalmente en dos grupos: los termoplásticos y los polímeros termoestables. Los primeros se funden con el calor sin sufrir ningún cambio en su composición interna, mientras que los segundos sufren un proceso de solidificación al calentarse que genera un cambio en su composición, lo que impide que se puedan reutilizar.

Las impresoras que utilizan la técnica de la estereolitografía se sirven de polímeros termoestables sensibles a la luz. Las que utilizan sinterizado por láser utilizan termoplásticos en polvo.

El ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) es el plástico más común en las impresoras domésticas de adición a través de un cabezal. Se trata de un termoplástico sensible al calor, que a través de un proceso de fusión se extruye y se solidifica. Tiene un punto de fusión elevado y en el proceso de extrusión alcanza los 230-260 grados antes de ser depositado en las llamadas “camas calientes”, soporte calentado a través de unas resistencias. Sin embargo, el ABS tiene como desventaja el hecho de que durante el proceso de impresión puede desprender gases,que, en concentra17

ciones altas, podrían llegar a ser dañinos para el ser humano.

Tras la impresión el modelo creado con ABS puede ser pulido, lijado, pintado, agujereado, etc., con extrema facilidad.

Entre sus ventajas destacan su flexibilidad y la alta resistencia que alcanza.

El PLA (ácido poliláctico) es un material plástico que compite con el ABS. Se le denomina natural por proceder de plantas como el maíz, sin embargo, aún no se ha desarrollado un proceso que facilite su reciclaje. En cambio, en el caso del plástico ABS ya se han desarrollado recicladoras del material que generan nuevas bobinas.

El PLA tiene ciertas ventajas frente al ABS, como el hecho de no necesitar un soporte caliente sobre el que ser depositado, lo que permite que pueda utilizarse en una mayor variedad de impresoras. También posee la gama más amplia de colores existente actualmente en el mercado.

El precio de ambos materiales es similar y oscila entre los 25 y 35 euros/kg. Las impresoras domésticas o de pequeño formato suelen utilizar estos dos tipos de plástico.

Las impresoras que utilizan materiales plásticos utilizan la técnica FDM (modelado por deposición fundida) utilizando el plástico sólido en forma de bobina enrollada que se va calentando antes de salir por el cabezal extrusor de la impresora 3D, que dibuja capa por capa el modelo.

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historia y evoluciรณn

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antecedentes El desarrollo de la construcción ha estado siempre ligado a la disponibilidad de los materiales y de las técnicas que han determinado sus características y escala.

Desde la más remota antigüedad el hombre ha empleado las rocas naturales como material de construcción. En el pasado, aparte de un uso primario e inmediato de los fragmentos de piedra como elementos constitutivos de construcciones de diversa índole, se desarrolló una cultura de la piedra trabajada. Está técnica permitió la elaboración de objetos singulares a través del tallado, un proceso de pulido con el propósito de darle al material una forma determinada. El hecho de que estas piezas fueran únicas tenía como consecuencia la inversión de una gran cantidad de tiempo y esfuerzo, no solo para trabajar el material sino también para su obtención.

Ejemplos de ello son la ebanistería islámica o los capiteles clásicos.

Artesonado islámico

La construcción evolucionó desde una elaboración personalizada del objeto a una producción basada en el moldeado.

Esta tecnología consiste en el empleo de una pieza hueca, con los detalles exteriores del futuro sólido que se desea obtener.

En su interior se vierte el material fluido, como el hierro fundido o el hormigón, que cuando se solidifica adquiere la forma del

Elementos de un catálogo de fundición en hierro

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Capitel corintio del Panteón, dibujado por Desgodetz

molde que lo contiene. Este proceso de fabricación tuvo un gran desarrollo durante la industrialización, que consistía en la producción en masa de bienes, lo que provocó un aumento de productividad y la consecuente reducción de tiempo, los costos y la mano de obra.

Perfiles de acero tubulares

La estructura experimentó un gran avance cuando se implanto la técnica de extrusión, generando estructuras de acero mucho más resistentes. La extrusión es un proceso utilizado para crear objetos con sección transversal definida y fija. El material se empuja a través de un troquel de una sección transversal deseada. Las dos ventajas principales de este proceso por encima de procesos manufacturados son la habilidad para crear secciones transversales muy complejas con materiales que son quebradizos, porque el material solamente sufre fuerzas de compresión y de cizallamiento. Además, las piezas finales se forman con una terminación superficial excelente.

Esta técnica también se aplicó en la fabricación de ladrillo hueco que permitía crear cerramientos más ligeros y con capacidad aislante. La velocidad de producción es mayor, y al no necesitar mano de obra en el proceso se consiguen resultados más precisos.

A través de la técnica de laminado se reduce el espesor de una lámina de metal o de materiales semejantes con alta maleabilidad, con la aplicación de presión. Esto permite la creación de paneles metálicos o plásticos con propiedades adicionales (acústicas, térmicas).

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Con el avance de las tecnologías nace la mecanización por corte por control numérico, denominada CNC, que puede ser utilizada para todo tipo de materiales. Se trata de un sistema de automatización de máquinas que son operadas mediante comandos programados en un medio de almacenamiento, en comparación con el mando manual mediante volantes o palancas. Este sistema ha revolucionado la industria debido al abaratamiento de costes y a la simplificación de la programación de las máquinas de CNC. La finalidad es la creación de piezas únicas y complejas en el menor tiempo posible, y con una alta precisión.

En la década de los 90, se introduce en el mundo de la arquitectura y se empiezan a utilizar de forma generalizada unas herramientas que supondrían y siguen suponiendo una revolución en la forma de proyectar, construir y difundir la arquitectura: las tecnologías CAD y CAM (Kolarevic, 2003). Estas tecnologías, que llevan más de 50 años siendo utilizadas en las industrias del automóvil y aeronáutica, se han integrado en el mundo de la arquitectura supliendo las limitaciones de las herramientas tradicionales, y permitiendo una enorme libertad de diseño que se ha visto reflejada en la construcción de proyectos con formas geométricas complejas que décadas atrás hubiesen sido irrealizables.

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El CAD (ComputerAidedDesign): Nace en la década de los 60 como una herramienta de representación gráfica avanzada que permitía dibujar, borrar e incluso hacer zoom. En la actualidad, este término engloba un gran abanico de programas, desde dibujo en dos dimensiones a renderizacio-

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nes de modelos en 3 dimensiones, y cuya gran virtud es la agilidad del trabajo gracias a herramientas básicas como copiar y pegar o deshacer, una auténtica revolución. Dentro de esta tecnología, cabe destacar las NURBS (Non-UniformRational B-Splines), herramientas con base matemática que permiten crear y manipular con facilidad geometrías complejas y formas libres, mediante puntos de control (Nick Dunn, 2012).

La tecnología CAM (ComputerAided Manufacture): Tiene su origen en la industria armamentística y militar estadounidense a finales de los años 40, y en la actualidad es la base de la fabricación digital. Su principio de funcionamiento consiste en que una máquina controlada numéricamente por ordenador (CNC) procesa información digital y la utiliza para crear un modelo físico en tres dimensiones, abriendo el camino hacia la producción en masa y la estandarización de piezas en las industrias del automóvil y aeroespacial y que poco a poco van teniendo un papel cada vez más relevante en la arquitectura. (Nick Dunn, 2012).

Estas tecnologías CAD/CAM han permitido interrelacionar de una manera más eficiente las principales áreas del ejercicio de la profesión en un nuevo modelo teórico-práctico que utiliza las nuevas tecnologías de información y comunicación como herramienta de desarrollo. La consecuencia más importante de este hecho es la igualdad entre modelo de representación y modelo construido, ya que disponemos de la misma información para diseñar que para producir. Estos procesos se denominan “file-to-factory”.

La libertad formal es una de las oportunidades de la impresión 3D 23

desarrollo La invención de la impresora de tinta, en 1976, marcó el inicio de la impresión en 3D. Desde entonces, la tecnología ha evolucionado para pasar de la impresión con tinta a la impresión con materiales experimentando grandes cambios durante décadas en diferentes ramas de la industria.

A continuación, se señalan cronológicamente los acontecimientos más destacados de a impresión: - - - -

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1984: Charles Hull inventa la estereografía (SLA).

1986: Charles Hull patenta su invento y crea la empresa 3D Systems.

1987: Carl Deckard desarrolla el sinterizado selectivo por láser (SLS).

1988: Scott Crump inventa el modelado por deposición fundida (FDM). 3D Systems comercializa su primera impresora 3D. 1989: Se concede la patente del SLS. Scott Crump fundaStratasys. Hans Langer funda EOS GmbH. 1990: EOS vende su primer sistema de “Stereos”.

1992: Stratasys patenta su tecnología de FDM. 1993: El MIT desarrolla la impresión 3D por inyección (3DP).

1995: Z Corporation obtiene licencia de la 3DP. 1996: Z Corporation vende su primera impresora basada en la tecnología 3DP.

Charles Hull presentando a Charlie Hull

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1997: Se establece la empresa ARCAM. 1998: Se crea ObjectGeometries (adquirida posteriormente por Stratasys).

1999: El instituto de Medicina Regenerativa de la Universidad de Wake Forrest implanta en humanos los primeros órganos modificados por medio de implantes arteriales impresos en 3D y cubiertos con células del paciente.

2000: MCP Technologies introduce la tecnología de fusión selectiva por láser (SLM).

2002: Se funda EnvisionTec. El Instituto de Medicina Regenerativa de la Universidad de Wake Forrest imprime el primer órgano en 3D: un riñón completamente funcional.

2005: Z Corporation lanza el primer equipo de impresión 3D capaz de trabajar en color a alta definición. Se establece Exone como una spin-off de Extrude HoneCorporation y Sciaky Inc., siendo pioneros en el proceso aditivo basado en tecnología de soldadura por haz de electrones (EBW). El Dr. AdrianBowyer funda RepRap, una iniciativa open-source para crear una impresora 3D que pudiera imprimir sus propias partes. Stratasys lanza el servicio de Rapid Prototyping& 3D PrintingService Bureau, RedEye. 2006: Se construye la primera máquina del tipo SLS. Object crea una máquina capaz de imprimir en varios materiales. El proyecto Fab@Home, de la Universidad Cornell, ofrece la primera impresora 3D de código abierto.

2007: Sale al mercado el primer sistema de 3D Systems por menos de 10.00 dólares. Sale a la luz la empresa Shapeways, la cual nace como un spin-off de Philips ResearchLab, bajo la dirección de Peter Weijmarshausen.

Desktop Factory es adquirido por 3D Systems. El proyecto RedRap lanza “Darwin”, la primera impresora auto-replicante que puede imprimir la mayoría de sus compo25

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nentes. Se desarrolla la primera prótesis de pierna impresa en 3D. 2009: Sale al mercado la primera impresora 3D comercializada en forma de kit, la cual se basa en el concepto RedRap. Makerbot Industries lanza al mercado kits para hacer tu propia impresora 3D. 2010: KorEcologic presenta “Urbee”, el primer automóvil capaz de contar con la totalidad de su armazón impreso en 3D. La empresa Organovo Inc. se centra en la tecnología de bioprinting, anunciando la publicación de datos sobre los primeros vasos sanguíneos completamente bioimpresos.

2011: La Universidad de Exeter, junto con la Universidad de Brunel y el desarrollador de software Delcam, adaptan el sistema de impresión 3D Inkjet para la creación de objetos en chocolate. La Universidad de Cornell comienza a construir una impresora 3D para alimentos. Shapeways y Continuum Fashion anuncian el primer bikini impreso en 3D. La Universidad de Southampton fabrica el primer avión no tripulado impreso en 3D. En la conferencia de TEDMED 2011, el Dr. GaborForgacs, cocina y come carne producida mediante un proceso de bioprinting 3D. 2012: 3D Systems adquiere Z Corporation y VidarSystems. Stratasys se fusiona con ObjectGeometries. LayerWise realiza el primer implante de mandíbula inferior en 3D. La Universidad Tecnológica de Viena anuncia un gran avance: la “litografía de dos fotones”. Essential Dynamics muestra “Imagine”, su impresora 3D de chocolate.

2013: DefenseDistributed lanza “The Liberador”, la primera arma de fuego impresa en 3D. Robohand crea la primera prótesis de mano. La división de aviación de General Electric comienza a usar tecnologías de fabricación aditiva para producir componentes en motores de reacción. La NASA otorga una beca a la Systems&MaterialsResearchCorporation (SMRC) para de-

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sarrollar una impresora 3D de alimentos.

Natural Machines presenta “Foodini”, un prototipo de impresora 3D de alimentos.

2014: StanmoreImplants fabrica un modelo a medida de una pelvis en 3D. Organovo Inc. realiza la primera venta de tejidos humanos bioimpresos. Grace Choi revela “Mink”, la primera impresora 3D de maquillaje. Local Motors imprime en Chicago un coche en 3D “Atlas”, “Strati”.

ShanghaiWinSunDecorationEngineering Co. difunde su sistema “Atlas”, capaz de construir casas. Amazon abre su tienda de impresión 3D ofreciendo una amplia gama de productos. Hewlett Packard entra en el mercado de impresión 3D con una nueva tecnología llamada Multi Jet Fusion. Autodesk anuncia que producirá su propia impresora 3D. La NASA envía la ISS “ZeroG”, la primera impresora 3D capaz de crear objetos en ausencia de gravedad.

2016: científicos del Wake ForestBaptist Medical Center, en Carolina del Norte (EE UU), implantaron en animales estructuras de tejido vivo fabricadas en una impresora 3D. También lograron desarrollar un sistema de vasos sanguíneos. Winsun New Materials logró imprimir un bloque de viviendas de cinco plantas en un mes, una mansión de corte europeo en tres días, y varias casas tradicionales chinas con patio interior en dos jornadas.

2017: Mahor Muñiz crea un extrusor de pellet (pequeñas bolitas compactas, en este caso de plástico) para imprimir en 3D a partir de cualquier residuo. En España, se abrió el pasado 14 de diciembre un puente de hormigón impreso para cruzar un riachuelo en un parque de Alcobendas.

2018: El ETH Zurich, dio a conocer su proyecto sobre la impresión en 3D con bacterias vivas para el desarrollo de nuevos materiales como la celulosa. La Universidad de Alicante y la empresa ApplynanoSolutions dieron a conocer el proyecto 27

para desarrollar materiales de impresión inteligentes. Con estos desarrollos podrán controlar la deformación y reacción de los materiales.

Las impresoras 3D son por lo general más rápidas, más baratas y más fáciles de usar que otras tecnologías de fabricación por adición, aunque como cualquier proceso industrial, estarán sometidas a un compromiso entre su precio de adquisición y la tolerancia en las medidas de los objetos producidos. Las impresoras 3D ofrecen a los desarrolladores del producto la capacidad para imprimir partes y montajes hechos de diferentes materiales con diferentes propiedades físicas y mecánicas, a menudo con un simple proceso de ensamble.

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usos actuales Automoción La impresión 3D permite fabricar piezas de vehículos e incluso coches enteros (Strati).

Empresas como Bentley ya han demostrado la viabilidad de utilizar la impresión 3D de piezas pequeñas y complejas. La empresa británica 3TRPD2 ha impreso una caja de cambios para coches de carreras con un interior muy perfeccionado que permite cambios de marcha más rápidos y es un 30% más ligera que las convencionales.

Burger 3D

Alimentación Cualquier cosa que pueda existir en forma líquida o en polvo puede ser impresa en 3D. Esto incluye azúcar, queso, salsas, etc. Natural Machines3, una start-up ca29

talana, ha creado Foodini, la primera impresora 3D de alimentos preparada para imprimir todo tipo de ingredientes frescos y nutritivos reales, salados o dulces, pero no sólidos.

Medicina Hay soluciones médicas más personalizadas para cada paciente. Cualquier órgano de tejido blando, como una oreja, dedo o riñón, puede ser producido en 3D. También se han fabricado implantes metálicos, implantes de cadera, de cráneo, plantillas ortopédicas, aparatos ortopédicos corporales y trasplantes de mandíbula. Materialise4, una empresa belga de aparatos médicos, hace implantes, por ejemplo, más ligeros que los mecanizados, sin pérdida de dureza y diseñados para adaptarse de forma precisa al paciente.

Corazón impreso en 3D para emplearlo de base de crecimiento de material orgánico

Defensa La gran parte de la maquinaria militar es compleja y se produce en volúmenes relativamente bajos. Muchas son piezas de encargo y necesitan recambios constantemente, por lo que podría darse una 30

producción masiva de piezas de este tipo a través de la impresión 3D. Defense Distributed5 diseñó “TheLiberator”, el primer arma de fuego impresa en 3D. Aeroespacial La impresión 3D es empleada para producir componentes que forman parte de la fabricación de aeronaves. Esta tecnología también puede ayudar a acelerar la construcción de piezas para la Estación Espacial Internacional. La asociación de Made In Space6, una empresa formada por un grupo de veteranos del espacio y entusiastas de la impresión 3D, con el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA, permitió lanzar la primera impresora 3D en el espacio. Fabrica piezas en gravedad cero, y la esperanza es hacer misiones espaciales más autosuficientes.

Educación MakerBot anunció MakerBot Academy7, un plan para conseguir una impresora 3D en todas las escuelas de América.

“Se puede cambiar todo el paradigma de cómo nuestros hijos verán la innovación y la fabricación en Estados Unidos”, dijo BrePettis, por aquel entonces director ejecutivo de MakerBot. La compañía también anunció un plan para convertir los colegios y universidades en Centros de Innovación MakerBot. Comenzando por la Universidad Estatal de Nueva York, en New Paltz, los centros están equipados con 30 impresoras 31

3D junto con varios escáneres 3D para la formación de ingenieros, arquitectos y artistas, y aumentar la motivación para el crecimiento de la industria.

Arte Las impresoras 3D se utilizan para crear nuevos tipos de arte moderno. Pueden recrear piezas que no son accesibles a todas las personas en todo el mundo, lo que ayuda a los museos. Un ejemplo es el proyecto desarrollado entre el Museo Van Gogh y Fujifilm para recrear réplicas en 3D de varias obras maestras del pintor.

Arquitectura Para los arquitectos la impresión 3D ha facilitado y acelerado el desarrollo de las maquetas de sus diseños, pero esta tecnología pretende ir más allá. Con esa idea, la empresa holandesa DUS Architects9 comenzó a fabricar en 2014 la primera casa en 3D en un canal de Ámsterdam.

Para ello utilizó una versión gigante de impresora 3D (KamerMaker) que puede producir un material 10 veces más grueso de lo habitual.

Maqueta de Nueva York construida mediante impresión 3D 32

desafĂ­os oportunidades

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La arquitectura puede entenderse desde las tecnologías que logran su implementación, esto es, desde los procesos constructivos, desde sus elementos. El estudio de ésta desde el enfoque de los procedimientos tectónicos nos permite comprender su relación con el momento histórico y social en el que fueron construidas, pudiendo profundizar así también en el proyecto de la misma. Arquitectura y construcción –sistema y proceso constructivo– constituyen realidades indisociables, y las limitaciones o especificidades de la segunda tienen aun hoy efecto en la primera.

A lo largo de la historia la arquitectura ha generado dentro de su oficio la tecnología necesaria para su construcción, pero también ha sabido apropiarse de aquéllas desarrolladas en otras disciplinas que servían a su propósito. La asimilación de estas nuevas estrategias productivas no fue inmediata, pasando por un periodo de adaptación hasta la incorporación madura de las tecnologías. No sólo de la industria, también del diseño y, hoy en día, de la informática.

La impresión 3D es un procedimiento informático que ya está siendo aplicado, como hemos visto, además de en el diseño industrial en los campo de la medicina o la ingeniería. Demuestra, por tanto, una enorme versatilidad para usos tan varia34

dos, y continúa desarrollándose en ellos potenciando aún más sus propiedades originales: las demandas de estos sectores contribuyen a la evolución de la impresora 3D, fomentando así la popularización de su uso debido al mayor número de funciones que puede realizar. Por funciones, hablemos de materiales.

El modelo virtual del que se realiza la impresión no parece un hándicap en el uso de la impresora 3D: pueden diseñarse formas de mayor o menor complejidad con los software de dibujo asistido, y de forma relativamente fácil si se está familiarizado con ellos. Es la tecnología inherente al proceso de impresión la que supone una dificultad a vencer: la referente a la creación de la forma y al material de la misma. Los avances realizados en estos aspectos a lo largo de su corta historia –ya hemos visto, apenas 40 años– han alcanzado un grado de posibilidad de reproducción formal muy elevado y el catálogo de materiales imprimibles ha crecido: desde los polímeros a materiales orgánicos. ¿Por qué su uso en la arquitectura no parece tener la popularidad que cabría esperar? Al fin y al cabo, es una herramienta de creación de forma, y la forma no supone un problema. ¿Tiene que ver con la escala? ¿Con el material de construcción? ¿Con la idoneidad del sistema? ¿Con su rentabilidad? ¿Es la escala un problema real? Si nos imaginamos las máquinas con las que imprimimos nuestras maquetas, sí. Pero no se imprimen tiradas de periódico en una impresora doméstica, y del mismo modo no se pretende imprimir el mundo con un dispositivo de sobremesa. El salto de escala está previsto y existen impreso35

ras capaces de manejar formas mayores y mayores cantidades de material. El acceso de las mismas a los distintos lugares de la obra estaría resuelto con los medios actuales correctamente adaptados: grúas, carriles que en lugar de transportar el elemento constructivo desplazaran el propio proceso de construcción. La impresora 3D podría crear y llegar a las dimensiones de la obra de arquitectura. Una pregunta: ¿se puede imprimir en el vacío? ¿El material constituye un problema real?

Sí, pero seguramente por poco tiempo.

Los materiales primeramente empleados por la impresión 3D son polímeros, y su uso en la arquitectura –al margen de arquitecturas textiles, acabados de envolvente o elementos de instalaciones– no es hoy relevante. Acero, ladrillo y hormigón construyen nuestra arquitectura.

El acero cuenta con su propia tecnología y sus propiedades no indican que sea posible o mejorable su factura mediante la impresión 3D. La naturaleza modular del ladrillo no invita a reconsiderar tampoco sus procesos de creación, pero sí su puesta en obra. Dentro del binomio que constituyen impresión 3D y diseño asistido por ordenador, tal vez el ladrillo pueda beneficiarse de parte de la tecnología. Siguiendo un modelo 3D un brazo robótico puede disponer los ladrillos. No sólo eso: si el modelo digital especifica unas variaciones mínimas, iguales o diferentes entre ellas, el agente podría recrear estos diseños con una precisión superior a la humana, generando patrones geométricos que pueden resultar de gran interés.

El hormigón posiblemente sea el material más empleado en arquitectura. Guar36

da, además, similitudes con la tecnología de impresión 3D: el hormigón se vierte. ¿Ofrece alguna ventaja la impresión 3D del hormigón? Sí. Una, además, presente desde los inicios de esta tecnología: la impresión 3D no requiere de moldes. Esto significaría que el hormigón no precisaría de un encofrado. La complejidad de la forma conlleva la complejidad del encofrado: un elemento subsidiario a la arquitectura puede tener un protagonismo en la obra (desde su proyecto hasta su coste) mucho mayor del que el proyecto real puede justificar. El hecho de que la impresión 3D lo haga prescindible la destaca como una tecnología de gran utilidad en este caso, en todos los niveles.

Pero el hormigón no es sólo la masa sino también su armado. Es esta relación la que hace al hormigón armado tan versátil. ¿Podrían introducirse los armados en el proceso de impresión, tal vez con dos cabezales: uno para la mezcla y uno para el armado fundido (aluminio, polímero, acero…)? ¿Deberían montarse previamente y luego que el cabezal recorriera esa urdimbre? Lo primero parece una solución óptima, y un camino apasionante en el desarrollo de su tecnología.

Escala y material se relacionan mediante la estructura. La arquitectura no son maquetas, y, por lo pronto, la impresión 3D está optimizada para construir cosas pequeñas. ¿Soportaría lo impreso su dimensión y su materialidad? Si hiciera falta una estructura de apoyo tal vez dejara de resultar tan interesante.

Esto nos lleva a cuestionar la idoneidad del sistema. ¿Supone algún avance su implicación en la obra de arquitectura, o el proceso requiere de nuevos elementos 37

paralelos a la misma? Más allá de esto, está la pregunta de si la impresión 3D puede reproducir no sólo la forma sino también las características que encierra.

La arquitectura, hoy en día, tiene carácter laminar: no hay más que ver una fachada o una cubierta. Además, en ellas se incluyen todo tipo de canalizaciones, conducciones, cableado…

Las diferentes capas de estos elementos ¿se imprimirían independientes unas de otras, tal vez con un dispositivo multicabezal, o se desarrollaría un material capaz de aglutinar todas ellas, vertido de una vez?

Los requerimientos de instalaciones mencionados ¿se construirían, como hoy, mediante estrategias destructivas, o estarían previstos en un complejísimo modelo 3D, apoyado por la tecnología BIM? Desplacemos ahora el foco desde la construcción de nueva planta hacia la restauración. Mediante el software del que disponemos ahora podemos, en base a fotogrametría, reconstruir formar dañadas o incluso perdidas con un grado de fiabilidad respecto del original difícilmente alcanzable por la mano del hombre. El material en el que la impresora 3D recree la parte para completar el todo no será, con total seguridad, el mismo. ¿Supone un problema? Tal vez al contrario: es criterio de restauración el que lo nuevo se diferencie de lo preexistente. Habría que atender a la compatibilidad de los materiales solamente.

La arquitectura es una actividad económica y su evolución técnica, como en todas ellas, tiene también una explicación desde la rentabilidad del proceso. Ejemplos de tecnologías a priori beneficiosas para la 38

arquitectura han sido abandonadas por no suponer una mejora económica en la ejecución. Sin contar con aquellos elementos intrínsecamente industriales (perfiles de acero, carpinterías de aluminio, madera laminada…) la sustitución de los procesos de obra por procesos de industrialización, de la que se trata desde inicios del siglo XX, dista de implementarse de forma extendida en arquitecturas no singulares. La construcción tradicional resulta aún rentable, y rápida.

La impresión 3D es un proceso que requiere de una infraestructura cara y del manejo de software todavía no universalmente extendido en la fase de proyecto, así como de profesionales especializados. ¿Supone esto relegar la nueva tecnología a obras de mayor presupuesto que la justifique o a aquellas cuya complejidad la haga realmente necesaria, o por el contrario se avanzará para hacer de ella una realidad rentable que permita su popularización en el mundo de la arquitectura común? ¿Sale más cara una cuadrilla de obreros que toda la instalación necesaria?

Promotores y constructores, sin duda, ya se están haciendo estas preguntas.

La velocidad, íntimamente ligada a la rentabilidad, es un factor especialmente relevante. La velocidad de la impresión 3D es, hoy en día, lenta incluso para pequeños elementos. Y los edificios son muy grandes. Hemos visto no hace tanto cómo se han levantado edificios de muchas plantas en apenas 10 días, cómo boquetes enormes en la carretera se han reparado en 24 horas. El trabajo humano constituye una enorme fuerza de creación, y si a ella le sumamos facilidades técnicas de apoyo o directamente más humanos se logran ver39

daderas proezas en poco tiempo. Y por menos. ¿Es la velocidad el inconveniente principal, y por tanto el campo de desarrollo de la tecnología de impresión 3D que más urge investigar?

Aun sin poder responder a estas preguntas, más propositivas que interrogantes, es indudable que la impresión 3D –y el diseño digital, el referenciación tridimensional… tecnologías de control del espacio y de la construcción– puede ofrecer a la arquitectura avances significativos si continúa la investigación y el desarrollo en este campo. Será en este punto donde, una vez aprehendida esta tecnología tan reciente por nuestra disciplina, veremos si tiene una fuerza tal capaz de provocar el cambio de paradigma en diseño y construcción, esto es, en nuestra forma de entender y hacer arquitectura.

En nuestro blueprint hemos querido representar la evolución del paradigma tectónico de la arquitectura. Estos saltos –o solapamientos de sistemas más frecuentemente– obedecen a los avances de la técnica, así como a los cambios sociales, económicos y culturales de su tiempo y lugar. También a la inversa: cómo, una vez implementados en la arquitectura, la aptitud de la misma como catalizadora de progreso en tanto en cuanto capaz de responder a mayor número de necesidades e inspiraciones crea el mundo en el que la vida labra –imprime– su curso hacia el futuro.

Construyen la base de nuestro tótem los sillares, perfectos y lisos, sobre los cuales se asienta el capitel, el orden. La singularidad volumétrica, por tanto, como una de las primeras tecnologías de implementación de la arquitectura. Con todo el trabajo 40

que cada piedra guarda, con todo su esfuerzo y toda su ciencia.

La carpintería y la ebanistería, no menos laboriosas, construyendo o enriqueciendo la arquitectura desde la calidez y las oportunidades que ofrece la madera; también desde la singularidad.

Tan antiguo que incluso puede considerarse una deidad mesopotámica, el ladrillo.

Mejor aun: los ladrillos. La repetición del elemento modular que construye no en base a la singularidad sino a su anonimato, pero crea cuantas formas quiera. Qué importante puede llegar a ser lo humilde…

Hijos suyos, los bloques cerámicos y de hormigón, fabricados mediante procedimientos de extrusión y no moldeado, pero igualmente usados repetidamente.

Tarde, mucho más tarde, el hierro fundido, que estilizaba enormemente aquella columna pétrea de la que partimos, aunque todavía conserva su lenguaje. Será el acero laminado el que acabe de construir esta arquitectura de metal en su propio paradigma, desde la razón estructural e industrial de su fabricación.

Y con el acero y la industria, la prefabricación: la meta de la obra sin obra, del montaje más que de la construcción. El panel es el nuevo módulo, y, de nuevo, mediante su repetición compone la arquitectura.

El hormigón armado consigue que la piedra sea líquida, moldeable desde el molde y no desde el cincel… Y que el dintel pueda trabajar a tracción. Al igual que el acero, genera una nueva arquitectura, de multitud de posibilidades formales, aunque no ilimitadas. La singularidad volumétrica de la pieza pétrea evoluciona hasta 41

la concepción de la singularidad de casi todo el edificio.

La impresión 3D, desde nuestro punto de vista, permitiría la singularidad volumétrica entendida desde la totalidad del edificio.

La realización de cualquier forma, controlada desde su proyecto hasta su ejecución. Pero también la de cualquiera de las pasadas, interpretándolas desde la nueva tecnología.

La construcción, en fin, de la arquitectura del futuro, pero también de cuanto la ha construido en el pasado.

42

Impresión 3D

Rhinoceros AutoCAD 3DStudio Max ScketchUp TinkerCAD

Marina Bermejo Fernández Raquel Fernández Rodriguez Sergio Martín Díaz Fernando Polanco Palacio Isabel Toledano Martínez

Taller de Composición 0

9 8 7

6 5 4 3

R

E

W

A

G

F

D

S

M N

B

V C

X

Z

MODELACIÓN DIGITAL: Creación de un modelo 3D digital del objeto, generalmente con el software CAD.

La impresión 3D, cuya evolución comienza en los años '80, es todavía hoy una tecnología no completamente integrada en la actividad arquitectónica. La impresión 3D es indisociable del software de dibujo asistido por ordenador, capaz de generar ahora modelos tridimensionales del proyecto de manera muy precisa e incluso de albergar en él datos referentes a su construcción. La impresora 3D, recibiendo el archivo desde el ordenador, reproduce fielmente el diseño que el arquitecto tiene en la cabeza: en la obra, el intermediario entre el proyecto y su construcción se traslada desde la factura humana a la digital, sin interpretación y con mayor precisión; pero aún no hemos llegado a este punto. Esta tecnología, una vez transferida al campo de la arquitectura, puede generar un cambio en su paradigma.

Impresión generada por movimiento en los ejes perpendiculates x, y, z

Impresión generada por un movimiento vertical, otro circular y otro radial.

Impresión generada por un moviento esférico en cada articulación.

Diagrama comparativo entre procesos asociados a la construcción

Creación de piezas únicas y complejas en 3D de forma automatizada a partir de un modelo virtual con un abaratamiento en el coste.

Corte automatizado de láminas que permite la creación de piezas únicas y complejas a bajo coste.

ACABADO: Eliminación del material sobrante o de apoyo y limpieza de la superficie.

Cerámico Fundición

Precisión

Creación física del modelo 3D basado en los parámetros establecidos en la fase de rebanado.

Velocidad

IMPRESIÓN:

Coste

ABS PLA Metal Hormigón Vidrio

Prensado

Creación de una lista de comandos tridiimensionales que la impresora pueda entender y realizar los movimientos de impresión.

Simple

REBANADO:

Ebanistería

Creación sistemática de piezas basada en la utilización de una forma hueca con el negativo de la pieza final mediante el vertido de un material fluido.

Pulido de materiales de forma individual con objetivos constructivos y decorativos, con piezas finales únicas e irregulares que implican una habilidad por parte de los artesanos.

Slic3r Skeinforge Kisslicer Cura Sculpteo

Cantería singular

El archivo puede ser producido desde cualquier punto geográfico y posteriormente ser enviado y producido en otro sitio.

Cantería simple

DESLOCALIZACIÓN:

Metálico

Afinamiento en el espesor de materiales maleables mediante presión para posteriormente generar formas gracias al plegado.

Obtención de piezas de sección constante haciendo pasar un material dúctil por una forma definida y fija mediante presión.

IMPRESIÓN 3D LAMINADO

El archivo debe ser generado en formato STL conteniendo toda la información geométrica necesaria.

EXTRUSIONADO

EXPORTACIÓN:

CNC

.STL

MOLDEADO

Q

J

H

L

K

TALLADO

2 1

Y

T

P O

I U