Aplicaciones
Los usos de estas tecnologías han cambiado fuertemente gracias al desarrollo de nuevas tecnologías y materiales de alto desempeño. En sus orígenes las principales aplicaciones estaban ligadas al prototipado y desarrollo mientras que hoy podemos encontrar piezas funcionales en aerolíneas comerciales y automóviles de competición. En la actualidad las aplicaciones incluyen visualización de diseños, prototipado/CAD, desarrollo de productos, ingeniería, producción, arquitectura, arqueología, educación, salud y entretenimiento.
Prototipado
En un proceso de desarrollo poder acceder a modelos físicos suma valiosa información en las etapas más tempranas del proceso. De esta forma rápidamente los involucrados en el proyecto pueden validar la funcionalidad desde la interacción del producto con otros componentes, su forma de uso, su interacción con el usuario, etc. De forma adicional se pueden identificar y validar supuestos asociados a la forma de falla o limitaciones y cuestiones críticas a iterar o cuidar en los próximos ciclos de desarrollo. Contar con equipos de prototipado rápido insituo permite a un estudio de diseño iterar y generar 4 o más versiones de un dispositivo en el mismo día.
Productos finales
La manufactura aditiva posibilita la fabricación a baja escala a costos extremadamente accesibles con inversión inicial nula. Dependiendo de la naturaleza de la pieza en cuestión podemos acceder a una variedad de materiales, terminaciones superficiales y desempeños mecánicos para aplicaciones como ser: sistemas de anclaje, casings, componentes para ruteo de cables o tubuladuras, bisagras, indicadores, sistemas de seguridad, conectores, piezas a medida, weareables, etc. En particular esta tecnología resulta excepcionalmente útil cuando los tiempos de provisión se disparan por complicaciones en la logística o los costos asociados al mantenimiento de un stock mínimo.
Repuestos
Para el mantenimiento de equipos, máquinas o líneas de producción en casos donde el repuesto original no existe (el fabricante cerro, el modelo se discontinuó, etc) o donde el repuesto tiene un valor elevado para compras por bajo volumen, tiempo de reposición elevado y una tasa de fallas baja que no amerite anticiparse a dicha ocurrencia. Dada la variedad de materiales y el avance de la tecnología en muchos casos los repuestos impresos exceden el desempeño de las partes originales con tiempos entre fallas significativamente mayores a los iniciales.
Jigs y Herramental
En la fabricación, desarrollo o mantenimiento de productos existen muchas ocasiones en las que las herramientas disponibles en el mercado no son compatibles con el producto que está ensamblando o reparando. Las plantillas y accesorios personalizados (jigs and fixtures) ayudan a los operadores a garantizar un trabajo preciso y repetible, por ejemplo, guiando una herramienta o sosteniendo un objeto en su lugar. En un entorno de producción acelerado, esta eficiencia puede marcar una gran diferencia en el resultado final de una empresa.
La aplicación de la impresión 3D a la arquitectura empezó a investigarse de forma sistemática en los años 2000, con propuestas de extrusión de gran formato como Contour Crafting y procesos de aglutinante como D-Shape. Durante la década de 2010 surgió una primera generación de sistemas especializados en impresión —sin otras funciones de obra— basada en impresoras de gran formato sobre pórticos o brazos robóticos; entre los fabricantes citados en la literatura se incluyen COBOD, ICON, Apis Cor, WASP, CyBe Construction, XtreeE y Constructions-3D. La revisión publicada en RILEM Technical Letters indica que, pese a los avances, la tecnología «aún no alcanza su pleno potencial» y afronta retos de control de calidad, refuerzo, estandarización normativa y organización del proceso, lo que condiciona su competitividad frente a métodos tradicionales en muchos escenarios.[27] A partir de los años 2020 se plantea una segunda generación de plataformas robóticas multifuncionales, capaces de imprimir y realizar operaciones complementarias (manipulación, perforación/corte, colocación o inspección) mediante cambio de herramienta e integración sensórica/IA, con el objetivo de mejorar la eficiencia del proceso. Entre estas propuestas, Evocons (España) desarrolla una plataforma robótica multifuncional para construcción asociada a la patente EP3733354B1.[28].
Arquitectura
La aplicación de la impresión 3D a la arquitectura empezó a investigarse de forma sistemática en los años 2000, con propuestas de extrusión de gran formato como Contour Crafting y procesos de aglutinante como D-Shape. Durante la década de 2010 surgió una primera generación de sistemas especializados en impresión —sin otras funciones de obra— basada en impresoras de gran formato sobre pórticos o brazos robóticos; entre los fabricantes citados en la literatura se incluyen COBOD, ICON, Apis Cor, WASP, CyBe Construction, XtreeE y Constructions-3D. La revisión publicada en RILEM Technical Letters indica que, pese a los avances, la tecnología «aún no alcanza su pleno potencial» y afronta retos de control de calidad, refuerzo, estandarización normativa y organización del proceso, lo que condiciona su competitividad frente a métodos tradicionales en muchos escenarios.[27] A partir de los años 2020 se plantea una segunda generación de plataformas robóticas multifuncionales, capaces de imprimir y realizar operaciones complementarias (manipulación, perforación/corte, colocación o inspección) mediante cambio de herramienta e integración sensórica/IA, con el objetivo de mejorar la eficiencia del proceso. Pionero en esta propuestas, Evocons desarrolla una plataforma robótica multifuncional para construcción asociada a la patente EP3733354B1.[28].
Educación
Las aplicaciones en educación son enormes, ayudando a los alumnos a visualizar y entender conceptos abstractos. Las aplicaciones en ciencias sociales, ciencias de la naturaleza, matemáticas, arte, historia y, por supuesto, tecnología, tienen el potencial de revolucionar la actividad pedagógica.
Por ejemplo, investigadores docentes del área de Ciencias y Tecnologías Aplicadas del Instituto de Industria de la Universidad Nacional de General Sarmiento (UNGS) desarrollaron dos juegos didácticos desarrollados para la enseñanza y el aprendizaje de conceptos matemáticos destinados a estudiantes con discapacidad visual.[29] Se trata de JUDITH, Juego Didáctico para Tareas Hápticas, y de JAIME, Juego de Áreas Impresas para Matemática Elemental. Ambos dispositivos ya están siendo utilizados por estudiantes y docentes de la UNGS y de otras universidades del país. Recientemente también diseñaron Urbis, un dispositivo táctil para representar espacios urbanos, también destinado a estudiantes con discapacidad.
Alimentación
Foodini") y ChefJet son algunas de las impresoras 3D de comida más conocidas.[30] La propia tecnología permite sustituir algunos procesos y personalizar los ingredientes, tanto en forma como en composición. Algunas de las cadenas que están trabajando en ella son PepsiCo, Singular Bread y Barilla.[31][32] Destaca la creación de comida elaborada con masas de microalgas, aunque los ingredientes más usados con el chocolate y el azúcar.
Arqueología
La manufactura aditiva se utiliza en la reconstrucción de fósiles en paleontología, replicado de antigüedades o piezas de especial valor en arqueología y reconstrucción de huesos y partes del cuerpo en ciencia forense y patología. El uso de tecnologías de escaneo 3D, permite la réplica de objetos reales sin el uso de procesos de moldeo&action=edit&redlink=1 "Moldeo (proceso) (aún no redactado)"), que en muchos casos pueden ser más caros, más difíciles y demasiado invasivos para ser llevados a cabo; en particular, con reliquias arqueológicas de alto valor cultural[33] donde el contacto directo con sustancias de moldeo puede dañar la superficie del objeto original.[34].
Arte
Se ha sugerido el uso de las tecnologías de impresión 3D en este campo solo desde la década de 2010.[35] Artistas han usado impresoras 3D de diferentes maneras.[36] Durante el Festival de Diseño de Londres, un montaje, desarrollado por Murray Moss y dirigido a la impresión 3D tuvo lugar en el Museo de Victoria y Alberto. La instalación fue llamada Industrial Revolution 2.0: How the Material World will Newly Materialise.[37].
Moda
No falta tampoco la ropa impresa en 3D en materiales como el Filaflex; una técnica que ha cautivado a diseñadores como Karl Lagerfeld, Iris van Herpen, Melinda Looi y Danit Peleg, entre otros. De hecho actualmente existe un certamen llamado 3D Fashion Day. Entre las impresoras más destacables de este tipo triunfa una máquina española: la Kniterate.
El fabricante de zapatillas deportivas Adidas, por otra parte, fue pionera en este ámbito, pues ya en 2015 desarrolló unas zapatillas impresas en 3D. Estamos hablando de las FutureCraft 4D. También hallamos lencería, joyas, bolsos y otros accesorios.
Medicina
La impresión 3D aplicada en medicina puede ser por ejemplo un proceso que consiste en la creación de órganos artificiales a partir de un modelo digital con la ayuda de una impresora 3D, en contraposición a las metodologías de reproducción genéticas.[38][39].
En aplicaciones no biológicas, el proceso de impresión 3D es relativamente rápido; bastan tres minutos para el escaneo, dos horas para procesar los datos, y entre cuatro y ocho horas para completar la impresión de los materiales deseados.[40].
En los últimos años la disminución de costes de producción de las impresoras 3D y la adaptación del código abierto del software que emplean las impresoras está acelerando su expansión, lo cual ha empezado a tener un impacto en otros campos de la ciencia, como en la biología y medicina, dando paso a que numerosos equipos multidisciplinarios de científicos e ingenieros trabajen para resolver las limitaciones actuales de esta tecnología. La técnica de impresión en medicina y otras áreas viene dada por los ingredientes que de momento se pueden utilizar y la velocidad de impresión de las impresoras.[38].
Con este proceso se busca anatómicamente que el tejido sea capaz de contener las propiedades y las formas necesarias. Además, la capacidad de crear modelos precisos y versátiles permite un mejor aprendizaje, ya que simula muy bien los tipos de tejido, por lo que es posible adaptar partes del cuerpo según la patología y las características del paciente.
Actualmente se han desarrollado métodos de impresión 3D de modelos de segmentos corporales utilizando imágenes de tomografía computarizada u otro tipo de escaneo, lo que permite realizar réplicas de secciones corporales. Éstos generan un símil de la dicha sección corporal, real y tangible, que conserva las proporciones, las relaciones topográficas, la morfología y el color, sin peligro de descomposición ni contaminación. Este recurso computacional ofrece amplias aplicaciones en la docencia de la medicina, manteniendo la conceptualización volumétrica.[41].
Ingeniería de tejidos
El diseño de tejidos humanos dimensionales es utilizado en las investigaciones médicas para acelerar el proceso de descubrimiento de fármacos, permitiendo que los tratamientos puedan desarrollarse más rápido y a un menor costo. Consiste en una serie de imágenes de un tejido de varias capas 3D que imitan la composición en capas por ejemplo de la pared del vaso sanguíneo. El proceso puede adaptarse para producir los tejidos en una variedad de formas, desde microescala a estructuras más grandes.[42].
Los avances en impresión de tejidos marcan que en futuro próximo los órganos impresos se puedan implantar y que sean compatibles en los pacientes que necesiten un trasplante. Actualmente existe una empresa, llamada Organovo, que se encarga de la creación de tejidos impresos en 3D.[42].
El primer paso del proceso consiste en desarrollar los protocolos de los bioprocesos para los bloques de la construcción multicelular, y biotinta, la cual se utiliza para construir bloques del tejido. Los bloques se dispensan a partir de una bioimpresora. Se deposita una capa de hidrogel que se puede utilizar ya sea como soporte, ya que los tejidos se construyen verticalmente, para lograr la tridimensionalidad; o como material de relleno para crear espacios vacíos dentro de los tejidos para imitar las características de tejido nativo. Posteriormente se añaden, sucesivamente y capa a capa, las células para que se fusione y se obtenga la forma deseada.[43].
En 2011, Antohony Atala imprimió un riñón por primera vez. El riñón no era funcional, pero estaba hecho de tejido humano. Lo que busca la biotinta es permitir completar la creación o impresión de órganos artificiales y ser compatible con los organismos vivos.[42].
Este proceso podrá ahorrar considerable tiempo. Varios estudios demuestran que hacer una impresión 3D de un órgano "Órgano (biología)") como un riñón puede suponer unas dos horas, comparado con otros métodos de impresión 3D actuales que son 10 veces más lentos. Sin mencionar que se reducirá el estrés al que las células son usualmente sometidas al pasar por los conductos de los cabezales, con lo que aumentaría su tiempo de vida.[42].
Por otro lado, dentro del campo de la impresión de tejidos, uno de los problemas es el sistema vascular, dado que son operaciones quirúrgicas peligrosas y es necesario mejorar la técnica. La difusión molecular solo puede asegurar el intercambio de oxígeno y nutrientes hasta una distancia de 100μ, por lo cual una posible solución ha sido la implantación de múltiples capas de tejido. De esta forma, dado que el grosor de cada una de estas capas es de 80μ, el oxígeno se puede difundir. El objetivo fue implantar tejido de miocardio, consiguiendo que el sistema celular del paciente vascularice para volver a implantar las capas. Como resultado se ha comprobado la eficacia de este método de autoensamblaje en casos prácticos como la construcción de orejas. En 2013 se publicó el proceso que permite replicar una oreja con un molde de colágeno, relleno con células. Estas orejas artificiales ya se han logrado implantar con éxito en animales.[42].
Uso doméstico
Han existido diferentes esfuerzos, a veces relacionados entre sí, para desarrollar impresoras 3D adecuadas para su uso de "sobremesa" y conseguir que esta tecnología esté disponible a precios asumibles para el gran público. Gran cantidad de estos trabajos han sido dirigidos y enfocados hacia los entusiastas del DIY o las comunidades de 'early adopters', ambos con conexiones con el mundo académico y 'hacker'.[44].
• - RepRap.
RepRap es un proyecto para el desarrollo de una impresora 3D de código abierto gratuito FOSS, cuyas especificaciones completas son distribuidas bajo la Licencia General Pública GNU. Esta impresora puede imprimir muchas partes de sí misma. En fecha de noviembre de 2010 la RepRap puede únicamente imprimir sus partes plásticas. Desde entonces se está llevando a cabo un desarrollo para dotar al dispositivo de la capacidad de imprimir sus propias placas de circuitos también, así como sus piezas de metal.
• - Equipos.
Están disponibles kits de impresoras para montarlas uno mismo.[45] Los precios de estos kits de impresoras varían desde los 500 USD por el Printrbot derivado de modelos previos de la RepRap,[46] hasta 1800 USD. El MakerBot es una impresora 3D de código abierto de MakerBot Industries").