La impressió 3D afegeix material a capes. S’aplica en aliments, regeneració de teixits, fabricació d’ulleres i pròtesis, etc. Descobrim la Jet Fusion 3D, una tecnologia revolucionària.

La impressió tridimensional (3D) és una tecnologia de fabricació d’objectes mitjançant la superposició de capes de material, per això també s’anomena “fabricació additiva”. Permet desenvolupar prototips més barats que la tècnica habitual de motllos per injecció de plàstic, sense cap limitació de forma. A més, fa rendible la producció d’un nombre reduït de peces i, fins i tot, de peces úniques. Per això, moltes de les seves aplicacions es donen en medicina personalitzada. Catalunya n’és un centre mundial d’activitat (hub), amb empreses líders en el disseny i fabricació d’impressores 3D, tant industrials com domèstiques.

En els últims 15 anys el 3D ha crescut moltíssim en l’àmbit industrial ja que permet desenvolupar prototips barats, sense cap limitació de forma. A més, fa rendible la producció d’un nombre reduït de peces i, fins i tot, de peces úniques. Per això moltes de les seves aplicacions es donen en medicina personalitzades. Quan s’han de produir milers o desenes de milers de peces surt més a compte fabricar-les amb la tècnica de motllos per injecció de plàstic. Però aquesta situació està començant a canviar.

Jet Fusion 3D, una revolució industrial
HP és un dels líders mundials en la fabricació d’impressores. Les de gran format són capaces de fer milers d’impressions diàries i, per tant, en molts casos substitueixen el tradicional sistema de fotolits de les impremtes, o dels rotatius dels diaris. Basats en aquestes impressores, els enginyers de l’empresa a Sant Cugat del Vallès han inventat una tecnologia revolucionària, la Jet Fusion 3D que els permetrà competir amb la fabricació per injecció en motllos. El procés comença aplicant una capa de pols de plàstic en l’àrea de treball. Aleshores, s’imprimeixen en una sola passada els agents químics de fusió i de detall. Finalment s’aplica calor per fondre el plàstic. Aprofitant la tecnologia desenvolupada per les impressores 2D, cada capçal és capaç de disparar 340 milions de gotes per segon amb una resolució de 20 micres. L’agent de fusió s’aplica en les zones on s’ha d’imprimir la peça, com que és negre, absorbeix més calor i fon la pols de plàstic. L’agent de detall s’aplica als límits de la peça per frenar la conductivitat tèrmica i aconseguir vores ben definides. El procés permet subministrar 1.000 vegades més calor a cada punt i, per tant, aconsegueix una millor fusió entre cadascuna de les capes que les altres tecnologies.

Precedents de la impressió 3D

Des del neolític s’utilitza el torn per fabricar ceràmica. Mentre la peça gira la mà de l’artesà li dona forma. Quan es treballa amb materials molt més durs, com el metall, cal utilitzar eines més resistents, per tallar, perforar i polir. En l’àmbit industrial, aquestes eines sovint s’acoblen a màquines giratòries anomenades fresadores, la precisió de les quals es controla per ordinador. Aquest sistema de fabricació es basa en una sèrie d’instruccions, de coordenades en l’espai (x, y i z) que posicionen el fresolí automàticament allà on ha de treballar. Aquest sistema és el precursor de les impressores en tres dimensions. Hi ha moltes tecnologies per imprimir en tres dimensions i totes es basen en aquest codi. És, doncs, el llenguatge més universal que hem inventat els humans, per damunt de l’anglès, l’esperanto o el mandarí.

El vòxel
De la mateixa manera que un píxel és la fracció mínima en què es divideix una imatge bidimensional, un vòxel és l’equivalent en tres dimensions. Controlant les propietats de cada vòxel a través de diferents agents químics, es podran imprimir objectes de milions de colors. També es podrà modificar la textura de cada vòxel, la transparència, la força i l’elasticitat, o la conductivitat elèctrica. En conseqüència, aquesta tecnologia permetrà fabricar objectes de propietats i prestacions fins avui inimaginables. És impressionant.

Impressores 3D domèstiques

A banda de l’ús industrial, les impressores 3D també han començat a arribar a les nostres llars. Això ha propiciat l’aparició d’una nova cultura anomenada “maker”, basada en la filosofia del “do it yourself”, del “fes-ho tu mateix”. Els seus integrants, els “makers” o “fabricaires”, solen ser joves enginyers o informàtics amb molt domini de les eines digitals. Amb una mica de traça poden vestir l’escriptori ells solets. La feina d’un maker comença fent un esbós de la peça que vol fabricar. A continuació cal dissenyar-la a l’ordinador.
Si us voleu convertir en makers i no sabeu dissenyar, podeu descarregar-vos lliurement un munt de dissenys de la xarxa. I si no disposeu d’impressora 3D, podeu connectar-vos a 3Dhubs, un portal que posa a disposició de l’usuari impressores 3D en xarxa d’arreu del món.
A Catalunya hi ha una de les empreses líders mundials en el disseny i fabricació d’impressores 3D domèstiques, d’extrusió de filament. BCN3D Technologies és un projecte de la Fundació CIM, que ofereix als estudiants d’enginyeria de la UPC un escenari real on practicar i preparar-se per al món laboral. A més, treballa amb codi obert, per acostar a la societat la tecnologia de la fabricació additiva.

Impressores 3D per aliments
Una empresa catalana ha desenvolupat una impressora d’aliments. El seu nom és Foodini, joc de paraules entre “food”, aliment, i Houdini, el famós mag i escapista, en al·lusió al fet que fan màgia amb el menjar. El procés per imprimir menjar és ben senzill. Només cal omplir les càpsules, col·locar-les dins la impressora i seleccionar la recepta desitjada. N’hi ha un munt per triar i remenar, tant a la memòria de l’aparell, com al núvol. Però, si no en teniu prou, sempre podeu crear la vostra pròpia recepta. Imprimir els aliments és estètic, pràctic i saludable. Quan el mateix aparell també els pugui coure la família d’electrodomèstics de cuina tindrà un nou membre.

Muntures a mida
Horizons Optical és una empresa de lents oftalmològiques. Un dels productes que ha desenvolupat són les ulleres personalitzades gràcies a la tecnologia d’impressió 3D. Després d’ajustar un aparell a l’altura dels ulls, quatre càmeres em fan una fotografia simultàniament. Les diferències de posició entre les càmeres permeten obtenir una sèrie de valors de l’anatomia facial, i reconstruir en 3D la cara, damunt de la qual es pot triar el model d’ullera que es desitgi, el color, i fins i tot el tipus de vidre. Es modifiquen diversos paràmetres com l’amplada del pont o la llargària de vareta en funció de l’amplada de la cara o l’altura de les orelles. Totes aquestes dades s’apliquen al model d’ullera que ha triat l’usuari i ja es poden fabricar en una impressora 3D.

Odontologia digital
Tant personal com la fisonomia és la dentadura. L’empresa catalana Avinent fa 60 anys que es dedica a la fabricació de peces d’alta precisió per a l’aeronàutica i l’automoció. Des del 2006, a més, s’ha situat a l’avantguarda de l’odontologia digital amb la fabricació d’implants i de pròtesis personalitzades amb impressió 3D. Fan servir diverses tecnologies d’impressió en funció del producte. Els models dentals, les fèrules quirúrgiques i les dents provisionals es fabriquen amb resines fotopolimeritzades per diferents procediments. Però potser el producte més espectacular són les estructures dentals, fabricades amb titani. La pols de titani es fon amb làser, tècnicament se sinteritza. Quan acaba la impressió cal retirar tota la pols sobrant per recuperar la peça. Una vegada polida l’estructura dental, s’hi col·loquen les dents i s’aplica una pasta que simula la geniva. Aleshores ja es pot fixar a la boca del pacient per mitjà d’uns implants.

Teixits humans fets per 3D
Combinant tècniques mèdiques com el TAC o les ressonàncies magnètiques, amb eines digitals es poden obtenir imatges tridimensionals de qualsevol òrgan del cos. El pas següent és imprimir-los en 3D. El Centre de Diagnòstic per la Imatge de l’Hospital Clínic utilitza impressores 3D per fabricar rèpliques de vasos dels pacients, i assajar-hi intervencions quirúrgiques. Assajant amb els models en 3D es redueix el temps d’intervenció, el temps d’anestèsia i el temps de radiació, en definitiva, s’augmenta l’èxit de l’operació.
En l’àmbit mèdic, és possible anar encara més enllà. A banda d’imprimir rèpliques de teixits en plàstic, es poden imprimir teixits de veritat. Aquesta és una prometedora línia de recerca a l’IBEC, l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya. A la llarga s’espera que aquesta tecnologia permeti regenerar teixits o, fins i tot, òrgans sencers, imprimint-los en 3D. A més d’impressionats, estarem impresos.

Fabricació additiva
Fins i tot en impressió 2D ja fa temps que no imprimim una lletra tota de cop, com en les màquines mecàniques d’escriure. Ara, les impressores van generant el text a base d'afegir una línia darrera una altra i aquesta línia es fa posant un punt a continuació d'un altre. Totes les tecnologies d’impressió 3D són additives, és a dir, es va afegint material a capes i aquestes capes es fan amb línies.
Explicarem la tecnologia més senzilla i també la tecnologia més utilitzada.
La tecnologia més senzilla es diu FDM, Deposició de Material Fos.
Aquesta impressora, com si fos una aranya molt, molt intel·ligent, va dipositant un fil de polímer fos que solidifica sobre la capa inferior i així es va creant l'objecte tridimensional.
Té l'inconvenient que no pot fer voladissos. Així, un bolet només es podria fer si es construeix de cap per avall, però un carret com aquest no es pot fer, tret que hi afegim pilars que després haurem de tallar.
L'altra tècnica d'impressió més habitual és la impressió SLS (Sinterització Selectiva per Làser). La impressora diposita una finíssima capa de pols de plàstic que es fon amb un làser i queda compacta. Es tornarà a dipositar una altra capa de polímer i el làser tornarà a fondre, exactament, la part que interessa. Aquest procés es repetirà en sentit vertical fins a aconseguir completar l'objecte que estem construint. Només caldrà retirar la pols no compactada.

Les 3 maneres de fer una peça
Diuen que mentre contemplava una de les seves meravelloses escultures algú li va preguntar a Michelangelo Buonarroti que com s’ho feia per aconseguir tanta bellesa d’un tosc bloc de marbre. Miquel Àngel va contestar: “només cal treure el marbre que sobra”.
I és que es pot dir que només hi ha 3 maneres de fer les coses. Restar (treure material), sumar (afegir-ne) i deformar, sigui modelant o fonent el material. O bé amb una combinació d’aquestes estratègies.
Una destral de sílex està feta llescant el bloc de roca a cops. Sembla fàcil, però no ho és pas. Amb una eina de tall ja pots treballar la fusta o el que sigui. Aquesta família d’eines s’ha perfeccionat extraordinàriament, però el concepte segueix sent el mateix: treure material d’un tot.
L'altra estratègia per fer una peça és deformar-la, sigui modelant un material plàstic com l'argila -que més tard s’endurirà- o bé deformar directament el material a cops, amb pressió o fricció. També es pot considerar deformació escalfar un material fins a fer-lo plàstic, fondre un metall, per exemple, i posteriorment donar-li forma amb un motllo. Una ampolla i molts altres objectes fets per injecció també són el resultat de deformar plàstic.
El tercer sistema per crear objectes és sumar material per arribar a un tot. Un paleta col·loca el material per capes per fer créixer la seva obra tal com faria una impressora 3D. I és que la filosofia és la mateixa. La impressora domèstica de filament escalfa el plàstic i diposita un filament per fer créixer la forma desitjada. Una tècnica tan antiga com la ceràmica “de xurros”, que va superposant xurros de fang per capes fins a crear la forma definitiva. De fet, la impressió 3D no suposa cap innovació conceptual, però gràcies als nous materials i les tecnologies modernes permet fer coses que d’una altra manera serien molt cares.

Experts i col·laboradors

Hi intervenen Felip Fenollosa, director Fundació CIM-UPC, Yoel Cruz, dissenyador industrial BCN3D Technologies, Jaume Homs, Iberia Sales Manager 3D Printing HP, Emilio Sepúlveda, cofundador Natural Machines, Juan C. Dürsteler, director d’Innovació Horizons Optical, Albert Mangas, product manager Avinent, Javier Moreno, radiòleg Hospital Clínic de Barcelona, i Samuel Sánchez, ICREA, Institut de Bioenginyeria de Catalunya.