Introducción a la impresión 3D y archivos digitales
A menudo la gente que se introduce en el mundo de la fabricación aditiva se pregunta cómo puede obtener un archivo para impresión 3D. Cuando la fabricación aditiva hizo eclosión, algunas personas entendieron las impresoras 3D como un instrumento que les permitiría imprimir aquellas piezas o utensilios del día a día que se rompen y podrían así disponer de repuestos al momento. Imagina que se te rompe el pomo de la puerta y quieres cambiarlo rápidamente. ¿Podrías hacerlo con la impresión 3D? La respuesta corta y directa es que sí. Pero la realidad es que para poder hacerlo, necesitas disponer de un archivo digital con el diseño del pomo. Y es que todo proceso de impresión 3D comienza con un archivo digital que representa el objeto 3D que queremos obtener. Es muy fácil de entender si pensamos en una impresora tradicional: para poder imprimir, necesita recibir un archivo de texto o imagen, y este archivo debemos facilitarle nosotros.
En el campo de la impresión 3D, ocurre exactamente lo mismo. Por tanto, la fabricación aditiva necesita de un proceso de diseño previo a la creación de cualquier pieza. Pero, ¿cómo podemos obtener este archivo digital? ¿Qué necesitamos para obtenerlo?
Si quieres conocer algunos de los métodos de los que disponemos para transformar nuestras ideas en archivos digitales, sigue leyendo.
Modelado 3D: la forma más habitual de obtener archivos de impresión 3D
También conocido como CAD, que corresponde a las siglas de Computer-Aided Design, es uno de los métodos más comunes para obtener un archivo 3D. Es una técnica de diseño digital que permite crear modelos tridimensionales en un ordenador a partir de diferentes herramientas, y tiene asociados tres submétodos: el moldeado de sólidos, de superficies y el diseño orgánico.
Modelado de sólidos
El moldeado de sólidos crea archivos 3D siguiendo el flujo de trabajo y los métodos de fabricación como si de una pieza real se tratara, es decir, que imita el proceso de fabricación posterior de la pieza diseñada. Algunos de estos procedimientos son la extrusión, la revolución y el taladrado o roscado, por tanto, el modelado de sólidos se enfoca a diseñar la parte mecánica de una pieza o producto. Para entender la utilidad real de este método, piensa en el motor de un coche: podría diseñarse mediante el modelado de sólidos, dado que se trata de una pieza a la que se le suman y restos geometrías simples: rectángulos, círculos, triángulos, etc.
La ventaja más importante de este sistema es que consiste en un proceso paramétrico, es decir, que todos los parámetros diseñados se guardan a cada paso del proceso y pueden ser editados sin necesidad de empezar a dibujar desde cero. Es como cuando utilizas un programa de diseño gráfico por ordenador que te permite trabajar por capas: cuando has cometido un error, puedes modificar específicamente la capa que necesitas sin tener que rehacer el resto. Por otro lado, con el modelado de sólidos se pueden simular ensamblajes entre varias piezas, lo que permite garantizar que las tolerancias de fabricación son las correctas. Imagina que debes diseñar un cilindro que debe entrar en un agujero: puedes simular este ensamblaje digitalmente, y el software es capaz de detectar si existe alguna interferencia que en el mundo real haría incompatible la unión de las piezas.
Conoce nuestros servicios de modelado 3D
Modelado de superficies
El moldeado de superficies, por otra parte, se utiliza para generar la parte estética de una pieza o producto. Muchas de las restricciones que encontramos en el momento de generar sólidos no se aplican a la hora de generar superficies, por lo que el flujo de trabajo es diferente. Siguiendo con el ejemplo del coche, utilizaríamos este método para obtener el archivo 3D de la carrocería de un coche: en este caso entran en juego geometrías más complejas.
Tanto con el moldeado de sólidos como con el de superficies obtenemos un fichero en formato tradicional CAD (IGES, STEP, PARASOLID). Normalmente los diferentes software de impresión 3D suelen necesitar un archivo STL u OBJ, por lo que estos dos métodos hacen necesario guardar el archivo en alguno de estos formatos.
Hay que tener en cuenta que los softwares de moldeado suelen necesitar licencias de pago. Entre los más implantados en la industria encontramos Solidworks, AutoCAD, Inventor y PTC Creo, pero también existen alternativas gratuitas como Fusion 360 o Onshape.
Modelado orgánico
El tercer submétodo en el modelado 3D es el diseño orgánico, que está enfocado a la creación de superficies complejas como personas, esculturas, joyería… En definitiva, todo aquello que no puede ser generado en operaciones simples o superficies de diseño. Estos modelos son poligonales y normalmente comienzan con un fango virtual. Utilizando dispositivos hápticos o tabletas de dibujo, se manipula el objeto con herramientas tradicionales para mover, añadir o quitar material del objeto. Este sistema está muy implementado en los ámbitos audiovisual y videojuegos, y es destacable que los operarios de este método suelen tener un elevado grado de habilidades artísticas. Algunos ejemplos de software de diseño orgánico son ZBrush, Freeform o Mudbox.
Escaneado 3D: obtener archivos del mundo real
El escaneado 3D permite trasladar geometrías de un modelo físico real a un modelo digital por medio de un escáner 3D. Este método utiliza diferentes tecnologías como pueden ser el láser, la luz estructurada o el largo alcance, y dado que cada una de ellas tiene sus peculiaridades, se aplica una u otra según el tamaño de la pieza, la resolución y la precisión de la medición. De este proceso se obtiene un archivo en formato nube de puntos que se poligoniza para facilitar su visualización y se consigue directamente un archivo STL u OBJ, siempre que el escáner tenga la capacidad de obtener colores. Esta tecnología ayuda al proceso de impresión 3D y también está muy ligada al proceso de ingeniería inversa. En cuanto a los condicionantes, debe tenerse en cuenta que los escáneres 3D suelen ser equipamientos caros porque tienen diferentes grados de precisión y resolución.
Más información sobre escáneres 3D profesionales
Fotogrametría: modelos 3D a partir de imágenes
Muy ligado al escaneado 3D encontramos la fotogrametría, una técnica de medición que utiliza fotografías para generar modelos tridimensionales. Las fotografías deben obtenerse desde diferentes ángulos y alturas, y un algoritmo informático transforma los datos obtenidos en 2D a 3D, al tiempo que genera una textura (color) con mucho detalle. Es una técnica muy utilizada para documentar patrimonio, terrenos o edificios de forma detallada, porque las fotografías también pueden obtenerse con drones. Es un sistema económico ya que sólo necesitamos una cámara para obtener un modelo 3D. Por el contrario, acaba siendo un proceso lento y poco certero que no genera el modelo instantáneamente.Además, los resultados acaban dependiendo de las capacidades y conocimientos del operador/a que lleva a cabo el proceso.
En el momento de decidir qué método de obtención de archivos 3D hacemos sevrir, en relación a la fotogrametría hay que tener presente que no es útil cuando necesitamos un control y precisión absolutos sobre los tamaños del modelo. Por el contrario, si es útil para conseguir un modelo de algún elemento que, de otra forma, sería muy difícil tener. Para mejorar los resultados, esta técnica a menudo se utiliza en combinación con el escaneado 3D.
Equipamiento para la fotogrametría
Desde el punto de vista del equipamiento, algunos de los softwares para realizar fotogrametría son gratuitos como Meshroom, otros con licencia de compra como Context Capture o 3DF Zephyr, mientras que otros son de pago por uso como Reality Capture. Es interesante el hecho de que también existen aplicaciones móviles que utilizan las últimas tecnologías de los smartphones como los Lidar. En Cataluña, por otra parte, tenemos un proyecto de escaneado de patrimonio muy interesante llamado Giravolt. Impulsado desde la Agencia Catalana del Patrimonio Cultural, ponen al alcance de la ciudadanía una base de datos donde acceder a las mejores obras del patrimonio cultural catalán en 3D. En Cataluña ya se han creado más de 100 modelos 3D, una selección de los cuales se pueden consultar aquí.
Repositorios y archivos 3D listos para imprimir
En internet también podemos encontrar repositorios con infinidad de archivos 3D listos para imprimir. Estos archivos normalmente son creados por la comunidad y pueden ser desde figuras hasta repuestos de objetos cotidianos pasando por utensilios del día a día. Pueden ser muy útiles cuando estamos empezando en el mundo de la impresión 3D y tenemos poco conocimiento, ya que podemos tener archivos listos para imprimir en un solo clic, de forma gratuita y elaborados por personas que realmente saben.
Los repositorios más conocidos son Thinkiverse, Instructables o Printables entre otros. Pero también podemos encontrar directorios más especializados con modelos de pago en los que, incluso, podemos subir nuestros propios modelos y monetizarlos.
Otras herramientas profesionales para obtener un archivo por impresión 3D
Más allá de los métodos que hemos comentado hasta aquí, algunas industrias disponen de herramientas especializadas para obtener archivos 3D. Si echamos un vistazo al sector médico, por ejemplo, disponen de instrumentos para transformar imágenes médicas en formato DICOM (Digital Imaging and Communication In Medicine).
Otro ejemplo es el ámbito industrial, donde hace años se utiliza la tomografía, un sistema de captación de imágenes mediante rayos X para producir escaneados 3D con gran precisión y resolución. La tomografía no es nueva, de hecho estamos acostumbrados a verla en medicina, pero aplicada a la industria tiene una gran ventaja, y es que permite escanear ensamblajes y comprobar cómo las piezas interactúan unas con otras.
Y por último podríamos hablar de NeRF, siglas de Neural Radiance Field, un método de fotogrametría para generar imágenes realistas de un objeto desde cualquier ángulo o posición del espacio a partir de imágenes y datos 3D (posición, dirección y densidad). Esta tecnología funciona especialmente bien cuando se trata de objetos transparentes o superficies reflectantes, con las que la fotogrametría suele tener problemas. Esto podría ayudar a realizar modelos de productos que actualmente son difíciles de captar mediante fotogrametría porque utilizan materiales plásticos transparentes o metálicos que provoca reflejos. El NeRF, por tanto, genera modelos muy realistas, y se espera que tenga mucha utilidad en el sector audiovisual como, por ejemplo, en la creación de producciones de vídeo.
Métodos y utilidades
A pesar de todos los métodos que hemos recogido en este artículo buscan un mismo objetivo, que es obtener el archivo 3D de una pieza o producto específico, cada uno de ellos utiliza rutas muy diferentes para conseguirlo. Habitualmente, el tipo de geometría que queramos conseguir será el que condicione el sistema que acabaremos utilizando. Es decir, no acudiremos a un mismo sistema si queremos producir una pieza mecánica que debe tener unos tamaños muy precisos y, por tanto, que necesita de un método que permita tener un control absoluto del diseño, que si queremos replicar una escultura en la que no importa el tamaño, sino sólo la forma.
Tabla resumen
Por si te ayuda a tener las ideas más claras, te hemos hecho una ficha resumen:
| MÈTODE | EN QUÈ CONSISTEIX? | ÉS ÚTIL… | CONDICIONANTS |
| Modelat 3D de sòlids | Disseny mitjançant un programa informàtic de peces amb geometries simples | Quan necessitem tenir un control absolut sobre les mides del disseny | Té una corba d’aprenentatge elevada. Els software gratuïts tenen moltes limitacions |
| Modelat 3D de superfícies | Disseny mitjançant un programa informàtic de peces on entren en joc geometries complexes | Quan volem obtenir superfícies CAD amb una qualitat molt elevada | El programari acostuma a tenir preus molt elevats i cal conèixer molt bé la tècnica per obtenir bons resultats |
| Modelat 3D de disseny orgànic | Disseny mitjançant un programa informàtic per crear superfícies de forma lliure que contenen detalls complexos com escultures | Quan volem generar geometries orgàniques molt complexes partint de cero | Exigeix d’unes habilitats artístiques elevades, a més quei l’ús d’aquest software acostuma a anar relacionat amb dispositius d’entrada molt específics |
| Escanejat 3D | Trasllada geometries d’un model físic real a un model digital per mitjà d’un escàner 3D | És pràctic per generar models digitals d’elements físics amb dimensions correctes | Els escàners 3D acostumen a ser equipaments cars. A més a més, no són bons captant els colors i textures |
| Fotogrametria | Creació de models 3D a partir de fotografies presses des de tots els angles possibles de l’objecte que volem crear | És un sistema especialment bo captant els colors de la peça que volem generar, i és una manera econòmica d’obtenir models 3D a traves de simples fotografies | Els models creats amb aquest sistema acostumen a tenir mides no reals. A més, la fotogrametria té problemes per captar superfícies reflectants o transparents. També tenen una corba d’aprenentatge pronunciada i una certa prova/error |
| Repositoris | Seria com disposar en el núvol de fitxers ja creats per altres persones disponibles per a ser impresos | Si tens pocs coneixements i vols tenir un fitxer ja elaborat per tal que la teva impressora comenci a produir | Malgrat existir espais gratuïts, els repositoris amb fitxers de més qualitats acostumen a ser de pagament |