Saps com obtenir un fitxer per a impressió 3D?

Quan la fabricació additiva va fer eclosió, algunes persones van entendre les impressores 3D com un instrument que els permetria imprimir aquelles peces o estris del dia a dia que es trenquen i podrien, així, disposar de recanvis al moment. Imagina que se’t trenca el pom de la porta i el vols canviar ràpidament. Podries fer-ho amb la impressió 3D? La resposta curta i directa és que sí. La realitat, però, és que per tal de poder-ho fer, necessites disposar d’un arxiu digital amb el disseny del pom. I és que, tot procés d’impressió 3D comença amb un arxiu digital que representa l’objecte 3D que volem obtenir. És molt fàcil d’entendre si pensem en una impressora tradicional: per tal de poder imprimir, necessita rebre un arxiu de text o imatge, i aquest fitxer li hem de facilitar nosaltres.

En el camp de la impressió 3D, passa exactament el mateix. Per tant, la fabricació additiva necessita d’un procés de disseny previ a la creació de qualsevol peça. Però, com podem obtenir aquest arxiu digital? Què necessitem per obtenir-lo?

Si vols conèixer alguns dels mètodes dels quals disposem per a transformar les nostres idees en fitxers digitals, continua llegint.

El mètode habitual: el modelat 3D

També conegut com a CAD, que correspon a les sigles de Computer-Aided Design, és un dels mètodes més comuns per a obtenir un fitxer 3D. És una tècnica de disseny digital que permet crear models tridimensionals en un ordinador a partir de diferents eines, i té associats tres submètodes: el modelat de sòlids, de superfícies i el disseny orgànic.

El modelat de sòlids crea fitxers 3D seguint el flux de treball i els mètodes de fabricació com si d’una peça real es tractés, és a dir, que imita el procés de fabricació posterior de la peça dissenyada. Alguns d’aquests procediments son l’extrusió, la revolució i el trepat o roscat, per tant, el modelat de sòlids s’enfoca a dissenyar la part mecànica d’una peça o producte. Per entendre la utilitat real d’aquest mètode, pensa en el motor d’un cotxe: es podria dissenyar mitjançant el modelat de sòlids, donat que es tracta d’una peça a la qual se li sumen i restes geometries simples: rectangles, cercles, triangles, etc.

L’avantatge més important d’aquest sistema és que consisteix en un procés paramètric, és a dir, que tots els paràmetres dissenyats es guarden a cada pas del procés i poden ser editats sense la necessitat de començar a dibuixar des de zero. És com quan fas servir un programa de disseny gràfic per ordinador que et permet treballar per capes: quan has comés una errada, pots modificar específicament la capa que et cal sense haver de refer la resta. D’altra banda, amb el modelat de sòlids es poden simular assemblatges entre diverses peces, i això permet garantir que les toleràncies de fabricació són les correctes. Imagina que has de dissenyar un cilindre que ha d’entrar en un forat: pots simular aquest assemblatge digitalment, i el software és capaç de detectar si hi ha alguna interferència que en el món real faria incompatible la unió de les peces.

El modelat de superfícies, per altra banda, es fa servir per generar la part estètica d’una peça o producte. Moltes de les restriccions que trobem en el moment de generar sòlids no s’apliquen a l’hora de generar superfícies, de manera que el flux de treball és diferent. Seguint amb l’exemple del cotxe, faríem servir aquest mètode per obtenir el fitxer 3D de la carrosseria d’un cotxe: en aquest cas entren en joc geometries més complexes.

Tant amb el modelat de sòlids com amb el de superfícies obtenim un fitxer en format tradicional CAD (IGES, STEP, PARASOLID). Normalment els diferents software d’impressió 3D acostumen a necessitar un fitxer STL o OBJ, de manera que aquests dos mètodes fan necessari guardar el fitxer en algun d’aquests formats.

Cal tenir en compte que els softwares de modelat acostumen a necessitar llicències de pagament. Entre els més implantats a la indústria trobem Solidworks, AutoCAD, Inventor i PTC Creo, però també existeixen alternatives gratuïtes com Fusion 360 o Onshape.

El tercer submètode dins el modelat 3D és el disseny orgànic, que està enfocat a la creació de superfícies de forma lliure que contenen detalls complexos com persones, escultures, joieria, etc. En definitiva, tot allò que no pot ser generat en operacions simples o superfícies de disseny. Aquests models són poligonals i normalment comencen amb un fang virtual, a partir del qual, fent servir dispositius hàptics o tauletes de dibuix, es manipula l’objecte amb eines tradicionals per moure, afegir o treure material de l’objecte. Aquest sistema està molt implementat en els àmbits audiovisual i dels videojocs, i és destacable que els operaris d’aquest mètode acostumen a tenir un elevat grau d’habilitats artístiques. Alguns exemples de softwares de disseny orgànic són ZBrush, Freeform o Mudbox.

Un núvol de punts: l’escanejat 3D

L’escanejat 3D permet traslladar geometries d’un model físic real a un model digital per mitjà d’un escàner 3D. Aquest mètode utilitza diferents tecnologies com poden ser el làser, la llum estructurada o el llarg abast, i com que cadascuna d’elles té les seves peculiaritats, s’aplica una o altra segons la mida de la peça, la resolució i la precisió del mesurament. D’aquest procés s’obté un fitxer en format núvol de punts que es poligonitza per facilitar la seva visualització i s’aconsegueix directament un fitxer STL o OBJ, sempre que l’escàner tingui la capacitat d’obtenir colors. Aquesta tecnologia ajuda al procés d’impressió 3D i també va molt lligada al procés d’enginyeria inversa. En quant als condicionants, cal tenir en compte que els escàners 3D solen ser equipaments cars perquè tenen diferents graus de precisió i resolució.

Models 3D a partir d’imatges: la fotogrametria

Molt lligat a l’escanejat 3D trobem la fotogrametria, una tècnica de mesurament que fa servir fotografies per tal de generar models tridimensionals. Les fotografies s’han d’obtenir des de diferents angles i alçades, i un algoritme informàtic transforma les dades obtingudes en 2D a 3D, al mateix temps que genera una textura (color) amb molt detall. És una tècnica molt utilitzada per tal de documentar patrimoni, terrenys o edificis de forma detallada, perquè les fotografies també es poden obtenir amb drons. Des del punt de vista dels seus avantatges, és un sistema econòmic ja que nomes necessitem una càmera de fotos digital per tal d’obtenir un model 3D però, per contra, acaba sent un procés lent i poc precís que no genera el model instantàniament.  A més a més, els resultats acaben depenent de les capacitats i els coneixements de l’operador/a que porta a terme el procés. En el moment de decidir quin mètode d’obtenció de fitxers 3D fem sevrir, en relació a la fotogrametria cal tenir present que no és útil quan necessitem un control i precisió absoluts sobre les mides del model però per contra, si és útil per aconseguir un model d’algun element que, d’una altra manera, seria molt difícil tenir. Per tal de millorar els resultats, aquesta tècnica sovint s’utilitza en combinació amb l’escanejat 3D.

Des del punt de vista de l’equipament, alguns dels softwares per fer fotogrametria són gratuïts com Meshroom, altres amb llicència de compra com Context Capture o 3DF Zephyr, mentre que d’altres  són de pagament per ús com Reality Capture. És interessant el fet que també existeixen aplicacions mòbils que fan servir les últimes tecnologies dels smartphones com els Lidar. A Catalunya, per altra banda, tenim un projecte d’escanejat de patrimoni molt interessant anomenat Giravolt. Impulsat des de l’Agència Catalana del Patrimoni Cultural , posen a l’abast de la ciutadania una base de dades on accedir a les millors obres del patrimoni cultural català en 3D. A Catalunya ja s’han creat més de 100 models 3D, una selecció dels quals es poden consultar aquí.

Models 3D llestos per a fer servir: els repositoris

A internet també podem trobar repositoris amb infinitat de fitxers 3D llestos per imprimir. Aquests fitxers normalment són creats per la comunitat maker i poden ser des de figures fins a recanvis d’objectes quotidians passant per estris del dia a dia. Poden ser molt útils quan estem començant en el mon de la impressió 3D i tenim poc coneixement perquè podem tenir fitxers llestos per a imprimir en un sol clic, de manera gratuïta i elaborats per persones que realment en saben.

Els repositoris més coneguts son Thinkiverse, Instructables o Printables entre d’altres. Però també podem trobar directoris mes especialitzats amb models de pagament on, fins i tot, podem pujar els nostres propis models i monetitzar-los.

Altres eines

Més enllà dels mètodes que hem comentat fins aquí, algunes industries disposen d’eines especialitzades per a obtenir fitxers 3D. Si fem una ullada al sector mèdic, per exemple, disposen d’instruments per transformar imatges mèdiques en format DICOM (Digital Imaging and Communication In Medicine) obtingudes amb diferents mètodes en fitxers 3D.

Un altre exemple és l’àmbit industrial, on ja fa anys s’utilitza la tomografia, un sistema de captació d’imatges mitjançant raigs X per a produir escanejats 3D amb gran precisió i resolució. La tomografia no és nova, de fet estem acostumats a veure-la en medicina, però aplicada a la indústria té un gran avantatge, i és que permet escanejar assemblatges i comprovar com les peces interactuen les unes amb les altres.

I per últim podríem parlar de NeRF, sigles de Neural Radiance Field, un mètode de fotogrametria per per generar imatges realistes d’un objecte des de qualsevol angle o posició de l’espai a partir d’imatges i dades 3D (posició, direcció i densitat). Aquesta tecnologia funciona especialment bé quan es tracta d’objectes transparents o superfícies reflectants, amb les quals la fotogrametria acostuma a tenir problemes. Això podria ajudar a fer models de productes que actualment són difícils de captar mitjançant fotogrametria perquè fan servir materials plàstics transparents o metàl·lics que provoca reflexes. El NeRF, doncs, genera models molt realistes, i s’espera que tingui molta utilitat en el sector audiovisual com, per exemple, en la creació de produccions de vídeo.

Diferents mètodes, diferents utilitats

Malgrat tots els mètodes que hem recollit en aquest article busquen un mateix objectiu, que és obtenir el fitxer 3D d’una peça o producte específic, cadascun d’ells fa servir rutes molt diferents per a aconseguir-ho. Habitualment, el tipus de geometria que vulguem aconseguir serà el que condicioni el sistema que acabarem fent servir. És a dir, no acudirem a un mateix sistema si volem produir una peça mecànica que ha de tenir unes mides molt precises i, per tant, que necessita d’un mètode que permeti tenir un control absolut del disseny, que si volem replicar una escultura on no importa la mida, sinó només la forma.

Per si t’ajuda a tenir les idees més clares, t’hem fet una fitxa resum: