El formato de impresión 3D .STL ha estado usándose durante más de 25 años desde su in- vención y ha sido y sigue siendo aún el estándar de formato para la impresión 3D, pero se está quedando obsoleto ya que solo contiene información en forma de mallas poligonales que definen el contorno del objeto tridimensional.
Frente a él, han surgido varias alternativas que pugnan por sustituirlo y convertirse en el nuevo formato estándar de comunicación entre los diseños virtuales tridimensionales y las máquinas de impresión 3D:
.AMF (Additive Manufacturing File Format) 75
En el año 2013 la ASTM aprobó con la ISO la normativa: ISO / ASTM52915: 2013, en la que recoge este nuevo tipo de formato. .AMF es un formato abierto basado en -XML que contiene información jerárquica de cinco elementos principales: objeto, material, tex- tura, constelación y metadata.Esto suministra información básica de forma, composición, color, materiales y geometría así como autor, compañía, descripción, volumen, tolerancia. También incluye el concepto de constelaciones de impresión, permitiendo organizar en un conjunto información sobre múltiples objetos. Además, los triángulos AMF pueden describir superficies curvas no planas en superficies 3D con mayor precisión que los ar- chivos .STL. (limitados a triángulos planos, de bordes rectos).
.3MF (3D Manufacturing Format) 76
Es un tipo de formato diseñado por un consorcio de empresas del sector del software y el hardware de impresión 3D llamado 3MF Consortium y formado por, entre otros:
Microsoft, NetFabb, Shapeways, Materialise, Stratasys, 3D Systems, SIEMENS, HP, Autodesk, Dassault Systemes, Ultimaker, Simplify 3D...
Microsoft decidió donar el código a GitHub77 para abrir su desarrollo. También está basado en -XML y con una representación geométrica similar pero en un formato más compacto y fácil de usar. Así, incluye información similar
al .AMF como multimaterial, multicolor, metadata... Sobre todo fue pensado para ser totalmente
compatible con el entorno Windows y su flujo de trabajo.
56) Diferencias geométricas entre el formato .STL (izquierda) y el .AMF (derecha).
57) Impresión multimaterial de 3DSystems
Aunque estos dos tipos de formatos están en su infancia en cuanto a su implantación en la comunidad, representan la evolución necesaria en la nueva etapa de comunicación con las impresoras 3D. Se trata de la impresión 4D, la impresión multimaterial formada por vóxels que agrupados en matrices tridimensionales posibilitan el diseño de materiales di- gitales compuestos en los que las propiedades mecánicas, de textura, color, peso y estruc- tura interior varíen en unas partes respecto de otras formando parte de un mismo objeto tridimensional con capacidad de responder ante el ambiente que le rodea si cambian las condiciones de iluminación, humedad, temperatura o fuerzas aplicadas.
____________________________________________________________________________________ 58Véase: https://ultimaker.com/en/products/ultimaker-cura-software 59Véase: http://slic3r.org/ 60Véase: https://www.meshmixer.com/ 61Véase: https://www.makerbot.com/print/ 62Véase: https://www.makerbot.com/media-center/2017/03/20/introducing-makerbot-minfill 63Véase: https://www.makerbot.com/replicator/ 64Véase: https://store.makerbot.com/filament/pla-large/ 65Véase: http://elplasticomata.com/ 66Disponible en: https://repositorio.unican.es/xmlui/bitstream/handle/10902/6694/376365.pdf?sequence=1&isAllowed=y 67Véanse: http://upe3d.blogspot.com.es/ https://mahorxyz.wordpress.com/2016/05/13/pellet-extruder/ https://elpais.com/elpais/2017/07/06/talento_digital/1499337768_340438.html 68Véase: http://www.makerfairerome.eu/en/ 69Véase: https://www.filabot.com/pages/our-hardware 70Véase: https://www.kickstarter.com/ 71Véase: http://www.3r3dtm.com/ 72Véase: https://www.natureworksllc.com/
73Véase: - Martín Piris, Nuria (2012) Ciencia de materiales para ingenieros. Editorial: Pearson Educación
S.A. Madrid. Pág. 400-410.nm
74Véase: - García Pérez, Alfonso (2010) Estadística básica con R. Colección Grado. Editorial: UNED. Madrid. Pág. 293-310.
75Véase: http://blog.grabcad.com/blog/2015/07/21/amf-vs-3mf/ 76Véase: https://3mf.io/specification/
3) Conclusiones
A lo largo de este trabajo de fin de grado de Arquitectura, hemos podido ilustrarnos acer- ca de las distintas tecnologías de fabricación aditiva o impresión 3D, así como de sus apli- caciones en el mundo de la arquitectura. Estamos viendo cómo hay varias empresas que ya están construyendo viviendas con impresión 3D y muchas instituciones académicas que investigan su alcance en la fabricación de prototipos de paneles de fachadas, instala- ciones efímeras o mobiliario urbano. He aquí algunas de las conclusiones:
- La impresión 3D es más sostenible que otras formas de producción de la industria tra- dicional como el moldeado por inyección. Genera menos residuos y permite una gran variedad y complejidad de formas en las que la fabricación convencional está limitada. - Lo que viaja es la información (bits) y no la materia (atoms), por lo que se diseña global- mente pero se produce localmente bajo demanda, sin generar stock. Esto tiene enormes repercusiones ambientales pues se reduce el transporte y la contaminación inherente a él, reduciendo la huella ecológica.
- Paso de la figura del consumidor a la de prosumidor, de la producción en masa norma- lizada a la personalización en masa.
- Posibilita la democratización del acceso a las técnicas de prototipado rápido, antes rele- gadas a las grandes industrias como la aeroespacial o la automovilistica. Hoy en día, los arquitectos pueden testar sus diseños y comunicar sus ideas con prototipos en tres dimen- siones fabricados en cuestión de horas y a bajo coste. Esto es clave para
- Hay cierto tipo de diseños, sobre todo en la arquitectura paramétrica y digital, que sólo pueden ser construidos mediante tecnologías de fabricación digital.
- El vóxel, o píxel volumétrico, representa el futuro de la impresión 3D: la impresión mul- timaterial, en la que podremos diseñar cada vóxel a medida.
- La industria de la construccion es, por lo general, conservadora. La impresión 3D no está todavía implementada en este campo ni ha sustituido a las técnicas de construcción tradicional. Pero cada vez más empresas están investigando al respecto, y cuando se hayan mejorado las técnicas, los tiempos y la reducción de costes, la fabricación aditiva será una importante alternativa. Actualmente, sí que es una posibilidad real en aquellos contex- tos de difícil acceso para el ser humano como en áreas con condiciones climáticas muy adversas, zonas radioactivas o catástrofes naturales. Así como también en la exploración espacial en la construcción de arquitecturas en Marte o la Luna.
- El conocimiento avanza mejor y más rápidamente, si se comparte bajo licencias de códi- go libre. La impresión 3D es un gran ejemplo de ello, pues no ha sido hasta la liberación de las patentes cuando ha empezado a crecer exponencialmente. Las empresas se están dando cuenta de ello y algunas comienzan a compartir sus investigaciones con la comu- nidad interconectada.
En la segunda parte, se recoge la investigación a través del método ciéntifico sobre las capacidades de resistencia mecánica a compresión de probetas en PLA. Así, se establecen distintas configuraciones de los parámetros de impresión: densidad, altura de capa y pa- trón de relleno, determinados con el software de impresión MakerBotprint. De este modo, extraemos las siguientes conclusiones:
- El PLA, ácido poliláctico, es un polímero plástico biodegradable y renovable, que tiene un comportamiento frágil ante rotura, pues rompe bruscamente sin deformación plástica. - El modo de impresión MinFill desarrollado por Makerbot genera una geometría interior formada por un par de diagonales paralelas, la diagonal larga del cubo y dos elementos clave en la resistencia mecánica a compresión: el pilar y el capitel, que es lo único que es rellenado con el patrón de relleno a la densidad establecida. Por tanto, la mayor parte de la probeta está rellena de aire y pese a que llega a soportar 15 MPa a compresión su resis- tencia en las otras orientaciones es muy pobre. Así se explica cómo casi todas las probetas han roto por el colapso de las paredes laterales. (Véase imagen 40 Pág.44).
- Para densidades del 5% de relleno interior, el patrón más resistente es : Linear, y despúes el Diamond y el Hexagonal, en ese orden. Para densidades del 15 %, el orden se invierte. Cabe destacar que su influencia es poca en la resistencia ya que solo hay un pequeño porcentaje del volumen interior relleno por patrones (el contenido en el pilar y el capitel). - El factor más influyente en la resistencia a compresión de estas probetas es la Altura de capa, siendo 0,2 mm el valor que más resiste, y despúes en orden: el 0,4mm y el 0,1mm. - A través del análisis estadístico mediante el modelo de regresión lineal múltiple con el software de código libre R, hemos podido comprobar como la covariable de patrón de relleno no tiene casi influencia en la resistencia para densidades menores del 15%. La densidad y la altura de capa si que son determinantes (covariables dependientes) y hemos obtenido el hiperplano que las relaciona con la variable independiente (tensión en el lími- te elástico) y que toma la ecuación siguiente:
y (σl) = 15,40714 -0,04473 x1 -1,02002 x3
- Para el mismo rango de variación de fuerza aplicada, se deforma de manera constante. - Para poder mejorar el análisis estadístico predictivo, deberá realizarse una muestra más representativa.
- Sería conveniente, asimismo, una estimación y tratamiento de errores y de propagación de las incertidumbres.
- Existe una necesidad de hacer trabajos de investigación sobre piezas producidas por fabricación aditiva y así poder redactar una normativa adecuada.
En mi opinión, el PLA no es un material adecuado para la ejecución de elementos cons- tructivos de arquitectura pero sí lo es para la técnica de prototipado rápido en nuestras investigaciones proyectuales, debido a su bajos coste y facilidad de impresión respecto a otros materiales. Además no genera olores tóxicos y es biodegradable y es obtenido de fuentes renovables vegetales. Sí que puede tener aplicaciones arquitectónicas a través de su combinación con nanopartículas para conformar un material compuesto de propieda- des superiores.
El proceso de investigación en el laboratorio ha sido muy satisfactorio y ratificante. He podido aprender el funcionamiento de las máquinas de ensayo así como el proceso de registro y toma de datos. La parte más ardua fue todo el procesamiento y representación de la información obtenida. En futuros trabajos de investigación, debería automatizar mucho más estos procesos mediante rutinas de trabajo.
La impresión 4D con vóxels permitirá decidir la configuración interior de cada eleme- neto en cada posición de la matriz tridimensional y generar huecos y espacios allí donde se requieran para el paso de instalaciones eléctricas y energéticas, canalizaciones de agua o sistemas de climatización y aislamiento. Es más, parte de estos elementos podrán ser impresos simultáneamente gracias a la impresión multimaterial, con propiedades físicas que puedan variar de unas partes a otras como la conductividad eléctrica o térmica. Asimismo, tendremos la posibilidad de reforzar estructuralmente aquellas áreas más comprometidas como es el caso de los voladizos, proporcionar mayor elasticidad en zonas expuestas a deformaciones o mejor comportamiento ante el calor y la humedad donde se necesite.
Futuras líneas de investigación Seguidamente mostramos varias posibles vías de actuación:
Reciclaje del PLA
- Reutilización del PLA recolectado en el laboratorio de investigación en impresión 3D de la ETSAM, 3DsLAB, y de los residuos generados en esta investigación. Se contempla en- viarlos a una empresa de producción de filamentos reciclados donde pueda mezclarse con partículas metálicas también recicladas y generar así materiales compuestos sostenibles a medida, y con mejores propiedades de resistencia mecánica que el PLA original.
Vóxel e Impresión 4D
- Profundizar en la investigación del vóxel y en el diseño de objetos 3D en los nuevos for- matos .AMF y .3MF , en camino a la próxima gran innovación disruptiva: la impresión 4D multimaterial programable. Así, será posible fabricar una pieza en 3D con distintas propiedades de color, resistencia, elasticidad, conductividad eléctrica, densidad... respec- to a la posición de cada vóxel, en la matriz tridimensional del objeto en concreto; y que interactúe y reaccione con el ambiente en el que se encuentre.