La impresión tridimensional y el futuro de las cosas

Por Catherine Jewell, División de Comunicaciones, OMPI

¿Le ha pasado alguna vez tener que buscar una lámpara sin encontrar el modelo adecuado o esperar meses para conseguir una pieza de recambio de un aparato doméstico que ha dejado de producirse? Ese tipo de experiencias frustrantes podrían ser en breve cosa del pasado. Actualmente, los consumidores tienen a su disposición tecnologías de impresión o fabricación por adición en tres dimensiones de alto rendimiento que fueron desarrolladas por primera vez en los laboratorios hace unos 30 años.

Una de las innovaciones más apasionantes que han surgido en los últimos tiempos es la impresión tridimensional (3-D), que hace realidad la posibilidad de que cualquier persona de cualquier lugar del mundo produzca cualquier objeto cuando lo considere necesario. Para algunos, la impresión tridimensional señala la “democratización” del proceso de fabricación, una nueva era de personalización en masa que promete impulsar la innovación, fomentar el uso más eficaz de los recursos y transformar la manera en que se producen las cosas. Algunos llegan incluso a caracterizar este fenómeno como la “tercera revolución industrial”. El presente artículo examina la creciente gama de aplicaciones de esa tecnología y su enorme potencial de innovación. Asimismo, expone algunas consideraciones sobre las razones por las que los encargados de formular políticas de propiedad intelectual (P.I.) tienen que prestar atención a este asunto.

¿Qué es la impresión tridimensional?

La impresión tridimensional, denominada fabricación por adición o fabricación digital directa, hace posible la creación de objetos mediante un archivo digital que se imprime en el hogar o se envía a uno de los servicios de impresión tridimensional en Internet que son cada vez más frecuentes. En el proceso de impresión tridimensional, este modelo digital, creado mediante un programa de diseño asistido por computadora, se divide en representaciones bidimensionales que se cargan en una impresora que comienza a construir un objeto capa a capa desde la base. Las capas del material (en forma líquida, en polvo o filamento) se depositan en un “espacio de construcción” y se fusionan conjuntamente. Este proceso aditivo, que minimiza los residuos puesto que utiliza únicamente la cantidad de material necesaria para fabricar el componente (y su soporte), es distinto de los procedimientos tradicionales de fabricación de tipo “sustractivo”, en los que se recortan los materiales para producir la forma deseada.

Actualmente existen varias técnicas de impresión tridimensional. La primera tecnología de impresión tridimensional de tipo comercial, la estereolitografía, fue inventada en 1984 por Charles Hull. Desde entonces han surgido otras técnicas, entre las que figuran el modelado por deposición de hilo fundido, el sinterizado selectivo por láser y la tecnología PolyJet Matrix. Algunas de esas técnicas conllevan la fundición o el reblandecimiento de capas del material, otras tienen que ver con la fusión de material en polvo y otras con la inyección o el endurecimiento selectivo de material líquido.

Asimismo, gracias a la impresión tridimensional, el proceso de “creación” de objetos capa a capa hace posible crear estructuras más intrincadas y complejas que las que pueden fabricarse utilizando técnicas de fabricación tradicionales.

Aplicaciones actuales

La impresión tridimensional se desarrolló originalmente a los efectos de crear prototipos rápidos, para fabricar una o dos muestras tangibles. De esa manera, los diseñadores podían detectar y corregir los errores de diseño de manera rápida y barata, acelerando el proceso de desarrollo del producto y minimizando los riesgos comerciales. Según la empresa de análisis comerciales CSC, la fabricación de prototipos sigue siendo la aplicación comercial más importante de esa tecnología y abarca alrededor del 70% del mercado de impresión tridimensional.

Sin embargo, las mejoras en la exactitud y rapidez de la tecnología, así como en la calidad de los materiales utilizados para la impresión, han impulsado a algunos sectores comerciales a ir más allá de utilizar la impresión tridimensional en sus laboratorios de investigación y desarrollo (I+D) para incorporarla a su estrategia de fabricación.

La tecnología ya se utiliza de manera general para fabricar joyas y otros accesorios de moda a medida, así como en los laboratorios dentales para producir coronas, puentes e implantes, y en la producción de audífonos y prótesis, al adaptarse perfectamente a las necesidades de los pacientes. La impresión tridimensional se adapta especialmente a las series de producción cortas y de bajo volumen que ofrecen a las empresas una alternativa más flexible, rentable y rápida a los medios tradicionales de producción en masa.

Uso de la tecnología en los sectores de la automoción y aeroespacial

La tecnología también se utiliza para fabricar piezas complejas en las industrias electrónica, de la automoción y aeroespacial. Importantes fabricantes de automóviles, como GM, Jaguar, Land Rover y Audi, han utilizado la impresión tridimensional para fabricar piezas de automóviles durante varios años. Los destacados constructores aeronáuticos Airbus (que forma parte del grupo europeo aeroespacial y de defensa (EADS)) y Boeing utilizan esa tecnología para mejorar el rendimiento de sus aeronaves y reducir costos de mantenimiento y combustible. Boeing utiliza la impresión tridimensional para producir un sistema de conductos para el control medioambiental en su modelo de avión 787. Este sistema exige tradicionalmente la producción y ensamblaje de hasta 20 partes distintas, pero se puede fabricar en una única pieza por medio de la impresión tridimensional. “La fabricación por adición es una tecnología verdaderamente innovadora que tiene el potencial de revolucionar los procesos de fabricación del siglo XXI. Se puede utilizar con una amplia variedad de materiales que van de los metales a los plásticos, incluidos los compuestos, y es más rápida y eficaz de producir. Se trata de una tecnología que utiliza menos materias primas y produce piezas más ligeras, complejas y resistentes: en resumidas cuentas, es una tecnología más eficiente y ecológica que puede utilizarse en muchos sectores, desde la aviación hasta los bienes de consumo”, explica el Dr. Jean J. Botti, Director Técnico de EADS.

Los elementos de aeronaves fabricados mediante la impresión tridimensional son un 65% más ligeros que las piezas fabricadas tradicionalmente, pero igual de resistentes, lo cual representa enormes ahorros y menores emisiones de carbono. Por cada kilo de reducción en el peso las compañías aéreas ahorran cerca de 35.000 dólares de los EE.UU. en combustible durante el período de vida de una aeronave.

Los diseñadores de aviones ya tienen en mente la posibilidad de fabricar todas las piezas de un avión mediante la impresión tridimensional antes de 2050. Con tal fin, Airbus ha aunado esfuerzos recientemente con una empresa de aviación sudafricana y con el Consejo de Investigación Científica e Industrial (CSIR) (véase http://tinyurl.com/a9mx6l3) a fin de estudiar la aplicación de la fabricación por adición basada en polvo de titanio para construir elementos complejos de aeronaves a gran escala.

Aunque el titanio es caro, es un material ligero, fuerte y duradero que se adapta perfectamente a la fabricación de aeronaves. En el proceso de fabricación tradicional, ese material desgasta fuertemente la máquina herramienta puesto que se endurece al cortarlo. Ese tipo de problemas se eliminan en el entorno de impresión tridimensional.

La impresión tridimensional en el espacio

Los ingenieros de la NASA utilizan piezas fabricadas mediante la impresión tridimensional, más sólidas y fiables desde el punto de vista estructural que las fabricadas convencionalmente, para su sistema de lanzamiento espacial. El vehículo Mars Rover tiene cerca de 70 piezas fabricadas mediante la tecnología de impresión tridimensional. Asimismo, los científicos están estudiando el uso de impresoras tridimensionales en la Estación Espacial Internacional para fabricar piezas de recambio en dicho lugar. Lo que antaño pertenecía a la ciencia ficción ya se ha convertido en realidad.

Uso en medicina

Quizá una de las esferas de aplicación más interesantes sea la medicina. Más allá del uso de la impresión tridimensional en la fabricación de prótesis y audífonos, se está utilizando dicha tecnología para tratar enfermedades problemáticas y avanzar en la investigación médica, incluido el campo de la medicina regenerativa, en el que tienen lugar avances rápidos y espectaculares.

En 2002, los cirujanos del Hospital Infantil Mattel de Los Ángeles, perteneciente a la Universidad de California, utilizaron modelos fabricados en impresoras tridimensionales para planificar una compleja operación de cirugía con el fin de separar a las gemelas siamesas María Teresa y María de Jesús Quiej-Álvarez. Al utilizar esos modelos, la operación se realizó en 22 horas en lugar de las 27 horas que se necesitan normalmente para ejecutar procedimientos similares.

En 2011, cirujanos del Hospital Universitario de Gante (Bélgica) ejecutaron con éxito uno de los trasplantes faciales más complejos realizados hasta la fecha gracias al uso generalizado de la impresión tridimensional para planificar y ejecutar la operación. Se utilizaron modelos anatómicos y guías específicas para el paciente fabricados mediante la impresión tridimensional antes y durante la operación (véase http://tinyurl.com/cd2hz2n).

En febrero de 2011, gracias a la ayuda de una impresora tridimensional, varios doctores e ingenieros de la Universidad de Hasselt ejecutaron con éxito el primer trasplante de mandíbula artificial fabricada especialmente para una mujer de 83 años que sufría de una enfermedad ósea crónica. “Se pueden fabricar piezas que es imposible crear utilizando otra técnica”, señala Rubén Wauthle, ingeniero de aplicaciones médicas de Layerwise, la empresa que fabricó el implante, en un reportaje de la BBC. “Por ejemplo, es posible imprimir estructuras porosas de titanio que permiten el crecimiento de los huesos y una mejor fijación del implante, dándole una mayor vida”.

La primera bioimpresora tridimensional del mundo

La tecnología de impresión tridimensional se está utilizando incluso para cultivar tejido humano. En 2009, Organovo, en colaboración con Invetech, fabricó la primera bioimpresora del mundo. La impresora MMXTM “utiliza células primarias u otro tipo de células humanas y crea modelos tridimensionales de tejidos humanos con fines de investigación médica, como la puesta a punto de medicamentos y aplicaciones terapéuticas”. A fines de 2010 Organovo anunció que había logrado crear los primeros vasos sanguíneos mediante su bioimpresora.

La impresión tridimensional se acerca al gran público

Más allá de estas fascinantes aplicaciones comerciales, la impresión tridimensional está comenzando a hacer su aparición entre el público en general. “Pide paso la era de la fabricación por computadora”, señala Chris Anderson, antiguo director de la revista Wired, en su libro Makers, de reciente publicación.

Aunque las impresoras tridimensionales todavía no son parte habitual de los equipos informáticos domésticos, la generación más reciente de aparatos como el Cube® de 3D Systems, el Cubex™ o el Replicator™2X de Makerbot, que están a la venta al precio de 1.000 a 3.000 dólares EE.UU., hacen que esté más cerca la posibilidad de convertir en realidad el sueño de la fabricación de objetos en el hogar.

En un estudio realizado por Wohlers Associates se prevé que la venta de productos y servicios de fabricación por adición alcance los 3.700 millones de dólares EE.UU. antes de 2015, y ascienda a más de 6.500 millones de dólares EE.UU. antes de 2019.

El movimiento del código abierto impulsa la adopción de la tecnología

La adopción y el desarrollo de la impresión tridimensional también están siendo impulsadas por el dinámico movimiento del código abierto. Por ejemplo, la iniciativa RepRap (forma abreviada de replicating rapid prototyper (constructor rápido de prototipos que se repiten a sí mismos), fundada en 2005 por Adrian Bowyer, doctor de la Universidad de Bath (Reino Unido), ha producido una impresora tridimensional de bajo coste capaz de imprimir la mayoría de sus propios elementos. Los diseños del proyecto, incluida la máquina, se divulgan por medio de una licencia de software libre (licencia pública general de GNU).

Uno de los objetivos de la iniciativa consiste en poner en manos de personas de todo el mundo sistemas baratos de fabricación asistida por computadora, de manera que puedan fabricar productos complejos con una inversión de capital mínima. Un equipo de RepRap cuesta alrededor de 500 dólares EE.UU. Como el diseño de la impresora RepRap es de código abierto, cualquiera puede modificarlo o mejorarlo, además de fabricarlo o venderlo. La empresa de análisis comerciales CCC señala que “el índice de innovación de RepRap y sus derivados se acelera a un ritmo mucho más rápido que el de las impresoras tridimensionales comerciales”.

Igualmente, el proyecto Fab@Home tiene por fin “llevar la fabricación personal al hogar”. Forman parte de dicha comunidad cientos de ingenieros, inventores, artistas, estudiantes y aficionados, “tanto quienes pueden desarrollar la tecnología como los que simplemente desean hacer uso de ella para fabricar productos originales”, según se explica en el sitio web del proyecto.

Aparición de plataformas de Internet dedicadas a la impresión tridimensional

Un número cada vez mayor de plataformas de Internet dedicadas a la impresión tridimensional, como la plataforma Thingiverse de Makerbot hacen posible que los particulares carguen y compartan diseños o descarguen estos últimos para su fabricación.

Quienes no tienen acceso directo a la tecnología de impresión tridimensional, pueden utilizar una gama creciente de servicios en Internet. Por ejemplo, Shapeways y Sculpteo ofrecen plataformas a los particulares para que compartan sus ideas y las hagan realidad al proporcionar acceso a programas informáticos e impresoras tridimensionales de último modelo. En agosto de 2012, Shapeways alardeaba de contar con casi 7.000 tiendas y más de 16.000 miembros que habían impreso más de un millón de productos.

Asimismo, está disponible una serie de aplicaciones informáticas, como Autodesk 123D, para que la gente diseñe y fabrique objetos adaptados a sus necesidades en las computadoras de sus hogares.

Una nueva era de personalización en masa

La impresión tridimensional proclama la llegada de una nueva era de personalización en masa. En enero de 2013, Nokia anunció que ponía a disposición de los usuarios los archivos imprimibles del estuche de teléfono Lumia 820, de manera que los interesados pudieran crear sus propios diseños e imprimirlos en cualquier impresora tridimensional. A pesar de que, como señala el profesor del MIT Neil Gershinghoff, no es probable que los consumidores impriman objetos que ya están disponibles fácilmente en las tiendas, las aplicaciones de la impresión tridimensional tienen un alcance ilimitado cuando se trata de fabricar objetos, aparatos o piezas irreemplazables de manera personalizada.

Liberar el potencial innovador

A fin de que esta tecnología de fabricación alcance todo su potencial, todavía han de superarse varias barreras técnicas, especialmente en relación con el costo de los materiales, la calidad de los productos, las limitaciones de tamaño y la capacidad de rendimiento. Dicho esto, como ha señalado la empresa de consultoría CSC, “la impresión tridimensional ofrece una plataforma de colaboración que acelera la innovación y convulsiona el mundo material, al igual que Internet fomentó la colaboración y la innovación y convulsionó el mundo digital”.

Según explica Chris Anderson, “cuando una tecnología pasa a ser utilizada de manera personalizada, no sólo resulta más barata, pequeña, mejor y más omnipresente, sino que comienza a emplearse de distintas maneras”. Esa tecnología se convierte en “un vector de ideas que se transforman en cosas,… empresas,… movimientos y eso es lo que está sucediendo actualmente”.

La denominada “democratización” del proceso de fabricación que promete la tecnología de impresión tridimensional tiene un enorme potencial para liberar la creatividad de las masas y fomentar el crecimiento económico.

Los modos de fabricación tradicional exigen altos niveles de inversión de capital y grandes volúmenes de producción. Al reducir en gran medida el desembolso de capital, los costos y los riesgos comerciales, la tecnología de impresión tridimensional hace que sea más fácil para todo el mundo formar parte del proceso de fabricación y poner a prueba sus ideas.

Todavía no están claras todas las repercusiones que puede tener la adopción generalizada de esta tecnología, pero al hacer posible la “fabricación a la carta”, la adopción de la impresión tridimensional podría transformar el panorama mundial de la fabricación y de las actividades comerciales. Esta tecnología puede aliviar la necesidad de llevar a cabo el inventario de los productos y rebajar drásticamente los costos de almacenamiento y transporte, simplificar las cadenas de suministro y reducir en gran medida la huella de carbono en el proceso de fabricación.

Cuestiones problemáticas relativas a la P.I.

La impresión tridimensional plantea varios problemas normativos que tienen que ver con la protección de la propiedad intelectual.

Al igual que la digitalización del contenido creativo ha impuesto determinados cambios a las industrias creativas y alimentado las tensiones existentes en torno a la legislación de derecho de autor, es probable que surjan debates similares en relación con la impresión tridimensional. Sin embargo, dado el alcance mundial de los procesos de fabricación, los intereses en juego quizás sean aún mayores en este ámbito.

La impresión tridimensional es una tecnología de fabricación digital que, como tal, facilita la copia no autorizada de objetos. Al igual que otros archivos digitales, los prototipos digitales son fáciles de copiar y difíciles de rastrear. Asimismo, la existencia de escáneres tridimensionales a bajo costo facilita la copia, ya que dichos dispositivos permiten digitalizar los productos disponibles en el mercado para crear un prototipo tridimensional y distribuirlo en Internet.

Como se señala en un estudio del Big Innovation Center la capacidad de copiar productos físicos de manera fácil y barata podría reducir los incentivos de las empresas para invertir en I+D y diseño. Por otra parte, la constante evolución del uso de la tecnología dependerá de la buena disposición y de la capacidad de combinar diseños. La necesidad de equilibrar estos intereses, garantizando que se disponga de incentivos y recompensas para quienes invierten en nuevas ideas, sin suprimir la innovación y la posibilidad de utilizar diseños en Internet, será un desafío fundamental para los encargados de formular políticas de P.I. Los mecanismos que faciliten la concesión de licencias y el intercambio legítimo de archivos sobre diseños desempeñarán una función esencial al afrontar ese reto.

Esta breve reseña de algunas de las aplicaciones más apasionantes para las que se utiliza la impresión tridimensional da a entender que va por buen camino el “cambio paradigmático de los procesos de fabricación” que está en boca de muchos. Las implicaciones de la constante evolución y adopción de las tecnologías de impresión tridimensional son muy importantes y prometen tener una repercusión radical en la manera en que se fabrican los objetos y se realizan las actividades comerciales. Los últimos 20 años de avances tecnológicos han sido fascinantes, pero el futuro puede resultar aún más interesante.