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En la actualidad es común conocer aplicaciones innovadoras sobre cabezales que imprimen objetos tanto cotidianos como de última generación, gracias a la impresión en 3D. Si bien la construcción de este dispositivo se remonta a más de tres décadas, el doctor W. Fermín Guerrero Sánchez, investigador de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la BUAP, ha perfeccionado cuatro prototipos basados en la metodología de ingeniería inversa: aprender de los conocimientos ya existentes para mejorar estos dispositivos.

Una impresora 3D es una máquina capaz de realizar, como su nombre lo indica, impresiones en tercera dimensión, creando piezas o maquetas volumétricas a partir de un diseño hecho por computadora. Si bien la propuesta de construcción de estos dispositivos data de 1984 -cuando se transformó el concepto de impresión con tinta a impresión con materiales, como plásticos-, hoy tienen auge por la facilidad de adquirir tanto hardware como software.

En la dirección de perfeccionar dicha tecnología, W. Fermín Guerrero Sánchez ha desarrollado cuatro prototipos de impresoras 3D, cuya principal característica es su sencillez para que cualquier usuario pueda darle mantenimiento.

La primera propuesta surgió en agosto de 2013, a partir del proyecto “Diseño y construcción de un vehículo autónomo no tripulado”, investigación respaldada por la Vicerrectoría de Investigación y Estudios de Posgrado, en la que participó el alumno de la Universidad Politécnica de Puebla, Cristian Granos Ramírez, quien tras una estancia en la BUAP ingresó a la Maestría en Ciencias de la Electrónica, en la Facultad de Ciencias de la Electrónica.

En el transcurso de la investigación se necesitó diseñar piezas propias para tal fin, por lo que se inició la construcción de dicha impresora. Basándose en ingeniería inversa se modificó una mini fresadora CNC 3D Modelo D3030, para convertirla en una impresora 3D; los engranes y partes mecánicas fueron construidas en un principio con Fibra de Mediana Densidad (MDF), con ayuda de un cortador láser que se tiene en el laboratorio, después la impresora imprimió en plástico los engranes. Este prototipo quedó concluido en enero del 2014, indicó el también Jefe del Laboratorio de Sistemas Dinámicos Controlables.

Posteriormente se desarrolló un segundo prototipo construido con MDF, por el tamaño y la forma se denominó Estación espacial, por asemejarse a una. Sus engranes y piezas fueron desarrolladas por la primera impresora. Con las dos impresoras se imprimieron las piezas de un tercer prototipo, mismo que se modificó en cuanto a diseño.

Tomando como referencia los diferentes modelos, se construyó una cuarta impresora 3D con una mejor presentación, en acrílico y con elementos fabricados por los prototipos anteriores. Ahora, en lugar de comprar piezas, éstas se producen de acuerdo con las necesidades, destacó Juan Carlos Amador Becerril, técnico del Laboratorio de Sistemas Dinámicos Controlables y quien participó en la construcción de los diferentes dispositivos.

Aprender de lo existente

Los prototipos desarrollados se basan en la metodología de ingeniería inversa, es decir: aprender de los conocimientos ya existentes para mejorar los dispositivos de este tipo.

“Hemos mejorado principalmente el diseño de las piezas, tenemos diseños propios. A pesar de que hemos copiado otras impresoras hemos mejorado sus diseños, ya que al hacer ingeniería inversa se toma un objeto y se mejora”, señaló Guerrero Sánchez, quien agregó: “todas las piezas están diseñadas por nosotros y en el próximo periodo de patentes vamos a registrar tanto la estructura como algunas piezas del prototipo”.

¿Cómo imprimir?

Para imprimir en 3D primero se usa un software de CAD (diseño asistido por computadora, en español), para desarrollar el objeto en cuestión. Con el software de la impresora que es de dominio público se establecen los parámetros de impresión, temperatura de la cama caliente y del extrusor, resolución, relleno y tipo de soporte.

Su funcionamiento, explicó el científico del Sistema Nacional de Investigadores, nivel I, “se basa en un inyector de plástico y cabezal que se mueve en tres dimensiones: x, y, z. El software usa un modelo 3D seccionado en capas hasta de 0.1 milímetros de espesor, por lo que la impresión se realiza capa por capa.

Una vez que el cabezal termina de inyectar el material para cada capa, éste se mueve en el eje “z” y pasa a una segunda capa, así sucesivamente”. Este proceso va de varios minutos a horas, dependiendo de la complejidad de la pieza. La impresora puede imprimir objetos de hasta un volumen de 20x20x20 centímetros.

Se utilizan tres tipos de plástico: ácido poli-láctico (PLA), un material altamente versátil que se hace a partir de recursos renovables como maíz, remolacha y trigo; acrilonitrilo butadieno estireno o ABS, un plástico resistente al impacto utilizado en automoción y usos industriales como domésticos resistente a golpes.

El límite es la imaginación

El siguiente paso es buscar las aplicaciones, las cuales pueden ser infinitas, desde la impresión de material didáctico, pasando por diseño de moléculas, herramientas, maquetas para ingeniería y arquitectura, piezas para otros dispositivos, hasta prótesis. La meta más ambiciosa es en el área de la salud y el límite es la imaginación.

Incluso la Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio, mejor conocida como NASA por sus siglas en inglés, pretende en sus próximos viajes espaciales llevar impresoras de este tipo para reparar piezas de las diferentes máquinas.

Escáner 3D

Al necesitar piezas complejas que no son posibles diseñarlas usando un CAD y como consecuencia de la impresora 3D, fue necesario construir un escáner 3D igualmente basado en ingeniería inversa. Entre sus mejorías destaca la metodología del proceso de escaneo, mismo que se realiza en minutos. Además se pretende que el escaneo sea un sólo flash y que el mecanismo sea automático, ya que por el momento los giros del objeto se realizan de manera manual en desplazamientos angulares de 60 grados hasta rotar los 360 grados.

Este prototipo está constituido por una computadora, un proyector de video y una cámara web. El escaneo se basa en proyección de franjas por medio de un software que decodifica y digitaliza la imagen. Para dicho proceso no se utiliza un cuarto completamente oscuro, sino la luz ambiental.

Ulises Martínez Rodríguez, alumno de la Licenciatura en Matemáticas Aplicadas, de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, es quien integró el escáner y trabaja en las mejorías del mismo, asesorado por el doctor Guerrero Sánchez.

Con esta tecnología se han escaneado desde semillas hasta piezas ornamentales. En próximos días se escaneará un planeador de 2.5 metros de envergadura para analizar su línea aerodinámica en un túnel de viento virtual.

Retos

Los equipos de fabricación digital permiten materializar diseños imposibles de conseguir por otros medios, pero los diseños actuales se limitan a las restricciones de las técnicas. Es necesario que los expertos desarrollen a profundidad lo que se denomina diseño para la fabricación aditiva, ya que en el momento que los diseñadores sean capaces de potencializar la fabricación digital, el mercado no querrá tener piezas estándar, sino que demandará productos fabricados mediante impresión en 3D.

Por si fuera poco, la fabricación digital ofrece un servicio personalizado, rápido y en el punto de demanda. Por tanto, puede cambiar totalmente el paradigma actual del transporte de mercancías: en lugar de transportar productos acabados, serán materias primas con las cuales fabricar en el punto de demanda.