¿Sabes cómo obtener un fichero para impresión 3D?

Cuando la fabricación aditiva hizo eclosión, algunas personas entendieron las impresoras 3D como un instrumento que les iba a permitir imprimir aquellas piezas o enseres del día a día que se rompen y podrían, así, disponer de recambios 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. La realidad es más compleja porqué para poder hacerlo necesitas disponer de un archivo digital con el diseño del pomo. Y es que, todo proceso de impresión 3D empieza 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 fichero se lo tenemos que facilitar nosotros a la máquina.

En el ámbito de la impresión 3D pasa exactamente el mismo. Por lo 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 ficheros digitales, continúa leyendo

El método habitual: el modelado 3D

También conocido como CAD, que corresponde a las siglas de Computer Aided Design, es uno de los métodos más comunes para obtener un fichero 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 modelado de sólidos, de superficies y el diseño orgánico.

El modelado de sólidos crea ficheros 3D siguiendo el flujo de trabajo y los métodos de fabricación como sí 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 lo 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: se podría diseñar mediante el modelado de sólidos, puesto que se trata de una pieza a la que se le suman y restan 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 la necesidad de empezar a dibujar desde cero. Es cómo cuando usas un programa de diseño gráfico por ordenador que te permite trabajar por capas: si cometes un error puedes modificar específicamente la capa concreta donde está el fallo sin tener que rehacer el resto. Por otro lado, con el modelado de sólidos se pueden simular ensamblajes entre varias piezas, y esto permite garantizar que las tolerancias de fabricación son las correctas. Imagina que estás diseñando un cilindro que tiene que entrar en un agujero: puedes simular este ensamblaje digitalmente, y el software es capaz de detectar si hay alguna interferencia que en el mundo real haría incompatible la unión de las piezas.

El modelado de superficies, por otro lado, se usa 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, de manera que el flujo de trabajo es diferente. Siguiendo con el ejemplo del coche, usaríamos este método para obtener el fichero 3D de la carrocería de un coche: en este caso entran en juego geometrías más complejas.

Tanto con el modelado de sólidos como con el de superficies obtenemos un fichero en formato tradicional CAD (IGES, STEP, PARASOLID). Normalmente los diferentes softwares de impresión 3D acostumbran a necesitar un fichero STL o OBJ, de manera que estos dos métodos hacen necesario guardar el fichero en alguno de estos formatos.

Hay que tener en cuenta que los softwares de modelado acostumbran a tener asociadas 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.

El tercer submétodo dentro del modelado 3D es el diseño orgánico, que está enfocado a la creación de superficies de forma libre que contienen detalles complejos como personas, esculturas, joyería, etc. En definitiva, todo aquello que no puede ser generado en operaciones simples o superficies de diseño. Estos modelos son poligonales y normalmente empiezan con un barro virtual a partir del cual, usando 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 de los videojuegos, y es destacable que los operarios de este método acostumbran a tener un elevado grado de habilidades artísticas. Algunos ejemplos de softwares de diseño orgánico son ZBrush, Freeform o Mudbox.

Modelado 3D para obtener ficheros digitales

Una nube de puntos: el escaneado 3D

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 como cada una de ellas tiene sus peculiaridades, se aplica una u otra según la medida de la pieza, la resolución y la precisión de la medición. De este proceso se obtiene un fichero en forma de nube de puntos que se poligoniza para facilitar su visualización y se consigue directamente un fichero STL o OBJ, siempre que el escáner tenga la capacidad de obtener colores. En positivo, esta tecnología ayuda al proceso de impresión 3D y también va muy ligada al proceso de ingeniería inversa. En cuanto a los condicionantes, hay que tener en cuenta que los escáneres 3D suelen ser equipos caros porque tienen diferentes grados de precisión y resolución.

Modelos 3D a partir de imágenes: la fotogrametría

Muy ligado al escaneado 3D encontramos la fotogrametría, una técnica de medición que usa fotografías para generar modelos tridimensionales. Las fotografías se deben obtener desde diferentes ángulos y alturas, y un algoritmo informático transforma los datos obtenidos en 2D a 3D, al mismo 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 se pueden obtener con drones. Desde el punto de vista de sus ventajas, es un sistema económico puesto que solo necesitamos una cámara de fotos digital para obtener un modelo 3D pero, por otro lado, acaba siendo un proceso lento y poco preciso que no genera el modelo instantáneamente. Además, los resultados acaban dependiendo de las capacidades y los conocimientos del operador/a que lleva a cabo el proceso. En el momento de decidir qué método de obtención de ficheros 3D vamos a usar, en relación a la fotogrametría hay que tener presente que no es útil cuando necesitamos un control y precisión absolutos sobre las medidas del modelo pero, por contra, si es útil para conseguir un modelo de algún elemento que, de otro modo, sería muy difícil tener. Para mejorar los resultados esta técnica a menudo se utiliza en combinación con el escaneado 3D.

Desde el punto de vista del equipamiento asociado, algunos de los softwares para hacer 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 usan las últimas tecnologías de los smartphones como los Lidar. Llevado a nuestra realidad cotidiana, en Cataluña tenemos un proyecto de escaneado de patrimonio muy interesante llamado Giravolt. Impulsado desde la Agencia Catalana del Patrimonio Cultural, pone al alcance de la ciudadanía una base de datos a través de la cual acceder a las mejores obras del patrimonio cultural catalán en 3D. A día de hoy ya se han creado más de 100 modelos 3D, una selección de los cuales se pueden consultar aquí.

Modelos 3D listos para usar: los repositorios

En internet también podemos encontrar repositorios con infinidad de ficheros 3D listos para imprimir. Estos ficheros normalmente son creados por la comunidad maker y podemos encontrar ser desde figuras hasta recambios de objetos cotidianos, pasando por enseres del día a día. Pueden ser muy útiles cuando estamos empezando en el mundo de la impresión 3D y tenemos pocos conocimientos, porque podemos tener ficheros listos para imprimir en tan solo un clic, de manera gratuita y elaborados por personas que realmente saben de ello.

Los repositorios más conocidos son Thinkiverse, Instructables o Printables entre otros. Pero también podemos encontrar directorios más especializados con modelos de pago donde, incluso, podemos subir nuestros propios modelos y monetizarlos.

Otras herramientas

Más allá de los métodos que hemos comentado hasta aquí, algunas industrias disponen de herramientas especializadas para obtener ficheros 3D. Si echamos un vistazo al sector médico, por ejemplo, disponen de instrumentos para transformar imágenes médicas en formato DICOM obtenidas con diferentes métodos (Digital Imaging and Communication In Medicine) en ficheros 3D.

Otro ejemplo es el ámbito industrial, donde ya 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 las unas con las 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 acostumbra a tener problemas. Esto podría ayudar a hacer modelos de productos que actualmente son difíciles de captar mediante fotogrametría porque usan materiales plásticos transparentes o metálicos que provoca reflejas. El NeRF, pues, genera modelos muy realistas, y se espera que tenga mucha utilidad en el sector audiovisual como, por ejemplo, en la creación de producciones de video.

Diferentes métodos para obtener ficheros 3D
Diferentes métodos para obtener ficheros 3D

Diferentes métodos, distintas utilidades

A pesar de que todos los métodos que hemos recogido en este artículo buscan un mismo objetivo, que es obtener el fichero 3D de una pieza o producto específico, cada uno de ellos usa caminos muy diferentes para conseguirlo. Habitualmente, el tipo de geometría que queramos conseguir será el que condicione el sistema que acabaremos usando. Es decir, no acudiremos a un mismo sistema si queremos producir una pieza mecánica que debe tener unas medidas muy precisas y, por lo tanto, que necesita de un método con un control absoluto del diseño, que si queremos replicar una escultura donde no importa la medida, sino solo la forma.

Para ayudar a tener las ideas más claras, hemos elaborado una ficha resumen:

MÉTODO¿EN QUÉ CONSISTE?ES ÚTIL…CONDICIONANTES
Modelado 3D de sólidosDiseño mediante un programa informático de piezas con geometrías simplesCuando necesitamos tener un control absoluto sobre las medidas del diseñoTiene una curva de aprendizaje elevada. Los softwares gratuitos tienen muchas limitaciones
Modelado 3D de superficiesDiseño mediante un programa informático de piezas donde entran en juego geometrías complejasCuando queremos obtener superficies CAD con una calidad muy elevadaLos softwares acostumbran a tener precios muy elevados y se debe conocer muy bien la técnica para obtener buenos resultados
Modelado 3D de diseño orgánicoDiseño mediante un programa informático para crear superficies de forma libre que contienen detalles complejos como esculturasCuando queremos generar geometrías orgánicas muy complejas partiendo de ceroExige de unas habilidades artísticas elevadas, además que el uso de este software acostumbra a ir relacionado con dispositivos de entrada muy específicos
Escaneado 3DTraslada geometrías de un modelo físico real a un modelo digital por medio de un escáner 3DEs práctico para generar modelos digitales de elementos físicos con dimensiones correctasLos escáneres 3D acostumbran a ser caros. Además, no son buenos captando los colores y texturas
FotogrametríaCreación de modelos 3D a partir de fotografías tomadas desde todos los ángulos posibles del objeto que queremos crearEs un sistema especialmente bueno captando los colores de la pieza que queremos generar, y es una manera económica de obtener modelos 3D a través de simples fotografíasLos modelos creados con este sistema acostumbran a tener medidas no reales. Además, la fotogrametría tiene problemas para captar superficies reflectantes o transparentes. También tienen una curva de aprendizaje pronunciada y cierta prueba/error
RepositoriosSería como disponer en la nube de ficheros ya creados por otras personas disponibles para ser impresosSi tienes pocos conocimientos y quieres tener un fichero ya elaborado para que tu impresora empiece a producirA pesar de existir espacios gratuitos, los repositorios con ficheros de más calidad acostumbran a ser de pago