La impresora 3D que nos acerca a un sueño de la ciencia ficción

El sueño del ‘replicador de materia’ de Star Trek, la capacidad de fabricar cualquier cosa directamente en tu casa con sólo pulsar un botón, está hoy un poquito más cerca de la realidad gracias a la nueva Form 4, la última versión de la popular impresora 3D de Formlab. Esta nueva máquina es un salto radical. Primero, porque promete imprimir objetos hasta cinco veces más rápido que la generación anterior (dependiendo del material). Después, y quizás lo más importante, es que la empresa afirma que la calidad de las piezas impresas con la Form 4 es "indistinguible de la de los moldes por inyección", que es como se produce casi todo en todas las fábricas del planeta. Esta combinación de velocidad y calidad nos acerca al santo grial de la impresión 3D: la capacidad de producir objetos de alta calidad sin tener que movernos del sofá.

Este aumento de la velocidad y la precisión afectarán profundamente los flujos de trabajo de las personas que utilizan impresoras 3D con regularidad. Desde diseñadores profesionales de cualquier tipo de industria —desde la del automóvil y la aeroespacial a los bienes de consumo en general o la producción de entretenimiento— así como para profesionales de la salud que necesitan fabricar piezas personalizadas biocompatibles con sus pacientes. "Mientras que en la Form 3 la mayoría de los trabajos duraban aproximadamente un día laborable, ahora podemos ejecutar dos o tres impresiones en un día laborable", afirma Cole Durbin, el director del programa técnico de Formlabs.

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Jesús Díaz

En una entrevista por videoconferencia, Durbin afirma que han logrado cotas de productividad inauditas con su nueva impresora. Un dentista, por ejemplo, podrá imprimir 130 coronas dentales en sólo 20 minutos. Y, para los diseñadores, producir múltiples iteraciones en un solo día les ayudará a experimentar más rápidamente y a reducir el tiempo de desarrollo de un nuevo producto. Durbin los sabe bien: Formlabs ha usado su propia tecnología para crear los prototipos de muchas de las piezas de la Form 4 durante los últimos cuatro años que ha tomado su desarrollo. En parte, es la impresora que se ha impreso a sí misma, como apunta la compañía.

El desafío del calor extremo

El motivo de esta nueva potencia productiva está en lo que Formlabs llama módulo de impresión Low Force Display (LFD o pantalla de baja fuerza), que es la encargada de ‘curar’ cada capa de material en un objeto impreso en 3D. Durbin explica que su equipo desarrolló el LFD internamente para reducir la fuerza aplicada durante el proceso de impresión y aumentar así la velocidad de producción y la calidad de las piezas.

La impresión en la Form 4 —que es una máquina del tamaño de un horno microondas— comienza cuando el usuario llena el tanque con un químico líquido que irá solidificándose por capas (técnicamente este proceso se llama curar) para formar el objeto final. El líquido es diferente dependiendo del cometido de la pieza final; una corona dental requiere una formulación diferente a, por ejemplo, un ladrillo de Lego. La Form 4 puede usar materiales como silicona pura, cerámica, poliuretano y básicamente cualquier sustancia química certificada para impresión por la compañía (ahora existen alrededor de 40 materiales diferentes, según Durbin). Cada material ofrece propiedades finales diferentes, como tener más o menos flexibilidad, rigidez, resistencia al impacto e incluso la resistencia al fuego.

Durbin asegura que la nueva matriz de LED y la pantalla LCD de la Form 4 —que tiene píxeles de 50 micrones, el grosor promedio de un cabello humano— aplica una luz mucha más intensa al material que la anterior generación de impresoras 3D, lo que resulta en un curado que ocurre de dos a cinco veces más rápido que con la Form 3. En términos muy generales, estas unidades se iluminan con una matriz de puntos que es la que une el material líquido capa por capa, endureciendo y formando la pieza sólida. Imagina que esto es como cortar un embutido al revés: en lugar de ver las capas saliendo de la máquina, las vas pegando una tras otra hasta terminar con un chorizo de Pamplona entero.

Más eficiencia

Para hacer que la máquina fuera aún más eficiente, Durbin y su equipo tuvieron que descubrir cómo evitar que se sobrecalentara. "Algunos de los desafíos relacionados con la velocidad se reducen a las fuerzas térmicas", describe. "Básicamente, cuando se fabrica una impresora como ésta, muchos de estos componentes se calientan mucho y tenemos que mantenerlos fríos".

La impresora, dice Durbin, tiene un diseño de enfriamiento relativamente complejo. "Tenemos tres ventiladores diferentes que dirigen el aire de forma relativamente compleja por toda la impresora para mantener todo a una temperatura aceptable", afirma. El ventilador principal está dedicado a la parte más delicada: la pantalla LCD. Cuando las pantallas LCD alcanzan altas temperaturas, éstas se dañan fácilmente, por lo que Formlabs instaló un ventilador dedicado justo sobre la unidad de retroiluminación. El ventilador está conectado a un gran disipador de calor que extrae temperatura de los LED para mantener todo el módulo lo suficientemente frío como para hacer que llegue al máximo de su vida útil.

La otra clave del sistema es una película ultra fina que ayuda a que la impresora funcione más rápidamente y se mantenga fría. Durbin explica que esta parte está diseñada para que el módulo óptico se despegue con mucha facilidad de cada capa impresa para añadir la siguiente capa del objeto 3D, aumentando aún más la velocidad de impresión. "Básicamente permite que el aire entre por debajo de la película del tanque y suba libremente para que podamos imprimir rápidamente, pero también con muy poca fuerza, lo cual es algo realmente importante", apunta Durbin.

La empresa afirma que, a diferencia de sus competidores, este diseño de poca fuerza reduce el estrés físico de la pieza. Dado que la película se despega fácilmente, no es necesario ejercer mucha fuerza para separar la unidad de impresión del objeto que se está imprimiendo. Este delicado proceso ayuda a mantener la integridad del objeto porque no estresa su estructura,lo que a su vez permite una mayor precisión y un mejor acabado de la superficie. El objetivo es que el objeto impreso en 3D esté a la par de los métodos de fabricación tradicionales, como la inyección de moldes. Y, como hay menos estrés, también puedes imprimir con menos soportes: los pequeños pilares que evitan que un objeto se desmorone durante el proceso de impresión 3D.

"El secreto de la impresión SLA [estereolitografía] es que una vez que la pieza se desprende, tienes que retirarla de los soportes y postprocesarla", dice Durbin. Tienes que lavarlo. A veces, incluso, hay que volver a curarlo. La nueva máquina permite imprimir con menos soportes, que además son más fáciles de quitar, algo fundamental para obtener el mejor resultado final y más rápido. Con la Form 4, Durbin afirma que las conexiones del soporte son tan pocas y tan delgadas que, en la mayoría de las piezas, puedes arrancarlas descuidadamente sin temor a romper la pieza impresa. "Es una experiencia realmente agradable y es posible gracias a la película patentada sobre la unidad de impresión de luz", afirma.

Cuestión de velocidad y regularidad

Durbin asegura que su trabajo de ingeniería mantiene todos los componentes de la impresora funcionando con baja tensión y temperaturas frías para ayudar a preservar la durabilidad del ‘hardware’. La empresa quiere mantener la máquina funcionando de forma fiable durante períodos de tiempo prolongados para reducir los costes tanto para los usuarios como para ellos mismos.

Formlabs afirma que cuanto más fiable es la máquina, menos tienen que gastar en su mantenimiento. "Las decisiones de diseño como ésta requieren mucho esfuerzo de ingeniería, y requieren decisiones y pruebas con intención", dice Durbin. “Pero, en última instancia, parte de la fiabilidad [en la Form 4] es el tiempo de actividad. Si tu impresora tiene un problema, queremos que el cliente pueda solucionarlo rápidamente, idealmente ellos mismos, sin nuestra ayuda. No queremos tener que enviar a un técnico de campo ni que nos devuelvan su máquina” para arreglarla en la fábrica.

Por ese motivo, Formlab también diseñó la Form 4 con módulos que los usuarios pueden reemplazar ellos mismos. "[Queríamos] mantener alto el tiempo de actividad de las máquinas [de los clientes]", dice Durbin. "El diseño modular y permitir que las personas saquen las piezas averiadas y metan otras nuevas de forma sencilla es fundamental para esto". La Unidad de Procesamiento de Luz (LPU) es modular, por ejemplo, por lo que cuando llega al final de su vida útil, alguien puede cambiarla más o menos como puedes cambiar un cartucho de la Nintendo.

Durbin dice que el tanque de resina ya ha sido probado con hasta 75.000 capas de impresión (hasta ahora), una cantidad impresionante para dispositivos que están sujetos a estas condiciones de calor tan extremas. "Estamos al principio de nuestras pruebas,” afirma, “y no queremos prometer demasiado a los clientes, pero creemos que tenemos un sistema realmente sólido”. Y para la mayoría de los clientes, afirma, “el resto de los componentes durarán todo el ciclo de vida del producto” sin necesidad de cambiarlos.

Se trata de una afirmación atrevida que sólo el tiempo podrá demostrar. La Form 4 está disponible hoy por un precio de 4.500 dólares. Por ahora, parece un gran paso adelante para esta tecnología y una buena noticia para los diseñadores 3D de todo el mundo. Sólo espero que para el resto de nosotros, el objetivo final de este tipo de máquinas es que, dentro de una década, todos podamos tener una en casa por el precio de una impresora normal para cumplir la promesa de Star Trek y no sólo imprimir chorizos de Pamplona sino también pepitos de ternera con pimientos y huevos fritos.