El lápiz háptico de 3D Systems

Una herramienta más barata para el modelado y la manipulación en 3D

La tecnología háptica es aquella que ejecuta respuestas tecnológicas de un aparato en forma de sensaciones táctiles, dejando a un lado los sentidos del oído y la vista. Los primero pasos de esta tecnología fueron las respuestas vibratorias  de algunos dispositivos tecnológicos con la intención de aumentar el realismo y mejorar la experiencia. Por ejemplo, la vibración de un mando de consola en función de la acción que se esté realizando en el videojuego.

Esta tecnología, cada vez se aplica a más dispositivos. En este caso concreto vamos a comentar el nuevo lápiz háptico de la compañía líder en impresión 3D, 3D System.

El lápiz háptico fue inventado por una start-up en el Instituto Teconológico de Massachusets (EEUU) y se denominó Phantom, cuya tecnología adquirió 3D Systems.

Se trata de un dispositivo conectado a un aparato mecánico que proporciona retroalimentación en forma de sensaciones táctiles para que el artista pueda sentir lo que hace mientras está esculpiendo una imagen en 3D en la pantalla, partiendo, por ejemplo, de una tomografía computarizada.

Los lápices hápticos, así como hardwares parecidos, llevan años usándose para aplicaciones de diseño en 3D, aplicaciones de formación médica, etc; permitiendo, por ejemplo, a los alumnos llevar a cabo un procedimiento complejo usando un sistema de simulación en el que la sensación sea realista. Sin embargo, la característica distintiva principal del nuevo producto de 3D Systems está relacionada con la tendencia de la compañía al abaratamiento de las herramientas para creación de imágenes, maquetas e impresión 3D para toda una serie de aplicaciones.

El lápiz háptico de 3D Systems saldrá a la venta el próximo mes de junio con un precio alrededor de los 649 dólares o lo que es lo mismo, unos 467 euros. El coste del aparato será bastante económico si lo comparamos con los dispositivos anteriores que rondaban entre los 2.400 y los 13.000 dólares.

Una impresora 3D y 75 euros para cambiar la vida de miles de personas

La impresión en 3D es una de las tecnologías sobre las que más altas tenemos las expectativas. Se supone que están llamadas a revolucionar los procesos industriales tales como los conocemos hoy en día, y su potencial ya se puede vislumbrar hoy. Las nuevas generaciones de impresoras 3D están a punto de ser liberadas de sus patentes, lo que supondrá una generalización de su uso.

De momento, se emplean para acelerar procesos de prototipado y los profesionales de la ingeniería y la arquitectura pueden emplearlas para la planificación de sus proyectos. También los emplean los cirujanos antes de una operación, para crear modelos de los procedimientos que van a seguir, y sus usos creativos y artísticos son incontables. Algunos, sin embargo, advierten del peligro de esta tecnología: en teoría, permitiría replicar llaves en cuestión de minutos, a partir de una simple foto.

Las noticias sobre impresión 3D se suceden, eso es innegable. Y a pesar de ello aún hay muchos que dudan sobre cuál será su utilidad real para el ciudadano de a pie, si es que llega a tenerla algún día. Un proyecto puesto en marcha en los últimos meses ya se la ha encontrado. Se llama Proyecto Daniel, y está fabricando prótesis ortopédicas por unos 100 dólares (menos de 75 euros) para las víctimas de la guerra de Sudán.

Daniel Omar, un adolescente más víctima de la guerra

Todo comenzó con un reportaje publicado en la revista Time en abril de 2012. Uno de los protagonistas de la historia era Daniel Omar, un adolescente sudanés de 14. El joven contaba cómo hacía un mes, se había convertido en una víctima de la guerra de su país, y lo sería para toda la vida: mientras se encontraba cuidando las vacas de su familia en la zona de las montañas de Nuba, al sur de Sudán, una región azotada por la guerra, una bomba lanzada por el ejército le había dejado sin ambas manos.

Project Daniel(video)

“Oí el ruido del avión, así que me tumbé en el suelo. Después escuché cómo lanzaba la bomba, así que me levanté de un salto, corrí, me escondí tras un árbol y me abracé a él con los brazos”, contaba el chaval en el reportaje. El árbol protegió el cuerpo de Daniel, pero no sus manos. Desde entonces, y una vez superada la estancia en el hospital y el peligro para su vida, el día a día del joven no había vuelto a ser igual. Ya no podía hacer solo cosas tan simples como vestirse o comer. Se calcula que 50.000 personas en todo el país han sufrido amputaciones similares.

A miles de kilómetros del desabastecido hospital donde Daniel recibía tratamiento, en California, Mick Ebeling leía su historia. Ebeling es el fundador de Not Impossible Lab, una fundación sin ánimo de lucro que trabaja por utilizar la tecnología más puntera para crear soluciones low cost y sin patentes para problemas relacionados con la atención médica y la salud.

“Leí el artículo de Time sobre él y tuve que ayudar”, dice Ebeling. El fin estaba claro: devolverle a Daniel la autonomía y la dignidad en la medida de lo posible. El medio: la impresión 3D. Era tan sencillo como fabricarle nuevas manos, ¿no?

Diseños libres, impresoras y asesoramiento médico

Sí, desde luego, pero el proceso tiene su miga. Para hacerlo posible, Ebeling reunió a un equipo de expertos tanto el ortopedia como en impresión 3D, además de entusiastas del código abierto y las soluciones libres de patentes y otras limitaciones.

Uno de ellos fue Richard Van As, un carpintero sudafricano que sufrió un accidente en 2011 en el que perdió los dedos de su mano derecha. Cuando se recuperó, comenzó a investigar la forma de conseguir una prótesis que le ayudase a manejarse mejor sin los dedos amputados, pero descubrió que “son principalmente las corporaciones de América las que tienen las patentes que podrían haberme restaurado los dedos, pero son excesivamente caras”, explica.

De forma que decidió diseñar su propia prótesis, que bautizó como Robohand y que se puede imprimir y adaptar según las necesidades a partir de las instrucciones publicadas en su página web.

Printrbot, una compañía dedicada a la impresión 3D, aportó el equipamiento necesario al proyecto, así como el conocimiento sobre esta técnica para lograr los mejores resultados. “Me gusta porque le da una utilidad muy real a algo que para muchos solo es un juguete. Cómo no iba a apuntarme, cuando se trata de un proyecto con un objetivo tan importante”, explica Brook Drumm, creador de Printrbot.

Por último, Ebeling necesitaba un doctor que supervisase el proyecto para asegurar su idoneidad y utilidad para los pacientes. Ese fue el papel de David Putrino, fisioterapeuta especializado en la neurociencia del control de la motricidad. Suya era la tarea de controlar que las prótesis “no solo tuviesen el potencial para funcionar sino también que eran fáciles de utilizar por parte de los pacientes y cómodas de llevar”.

Una prótesis funcional por menos de 75 euros

Ebeling tenía así el diseño, los medios y el asesoramiento médico necesario. Consiguió el respaldo económico de Intel y Precipart y despegó hacia África el pasado 16 de noviembre. “Aterricé en Sudán con impresoras 3D, portátiles, piezas de plástico y el objetivo de imprimir un brazo para Daniel”.

Desde luego, resulta tosca y poco controlable en comparación con lo que los médicos de los países más desarrollados pueden conseguir cuando cuentan con abundantes medios técnicos y económicos, pero este brazo robótico ayudó al adolescente a comer solo por primera vez en meses, lo que ya supone todo un éxito

Ebeling estableció su laboratorio en el hospital local, y en unos cuantos días, Daniel recibió la primera versión de su prótesis. Desde luego, resulta tosca y poco controlable en comparación con lo que los médicos de los países más desarrollados pueden conseguir cuando cuentan con abundantes medios técnicos y económicos, pero este brazo robótico ayudó al adolescente a comer solo por primera vez en meses, lo que ya supone todo un éxito, y su reducido coste (en total, unos 100 dólares) lo hace accesible a mucha más gente con recursos muy limitados.

Porque el objetivo del proyecto no es solo ayudar a Daniel Omar, sino a muchos más que, como él, han perdido algún miembro como consecuencia de una guerra que dura ya años. Y parece que va por buen camino.

Ebeling y su equipo han enseñado a los técnicos del hospital cómo funcionan las impresoras 3D y los programas de diseño, así como a ajustar las prótesis según las necesidades de cada paciente para que ellos mismos continúen fabricándolas. A un ritmo lento pero constante ya lo están haciendo, y esperan conseguir financiación para instalar más de estos laboratorios en otros hospitales de la región. “Esperamos niños y adultos en otras zonas de África y de otros continentes puedan utilizar el potencial de esta tecnología para crear nuevas oportunidades”.

Fabricación Aditiva: una nueva revolución industrial

La Fabricación Aditiva o Additive Manufacturing (AM), como se conoce internacionalmente, consiste básicamente en manipular material a escala micrométrica y depositarlo de forma muy precisa para construir un sólido. Aunque novedosas, son muy diversas las tecnologías que permiten fabricar piezas por este principio, lo que supone una nueva revolución industrial. La posibilidad de prescindir de utillajes, de reproducir cualquier geometría que el ser humano pueda imaginar (y dibujar), la inmediatez en la respuesta a la demanda cambiante del consumidor, y otra serie de ventajas que se explican más adelante, hacen del AM una auténtica pieza angular del futuro industrial en los países más desarrollados del planeta. 

En las tres últimas décadas se está asistiendo a una transición hacia lo digital en distintos ámbitos de la vida, tanto personal como profesional. Las fábricas no son ajenas a este fenómeno: los sistemas de Diseño Asistido por ordenador (CAD), que afectan a la concepción del producto en las oficinas técnicas; el software de Fabricación Asistida por ordenador (CAM) o para la asistencia a la ingeniería (CAE); el empleo de autómatas y robots en planta, la inspección por visión artificial, el control del avance de la producción en tiempo real (MES), o incluso la modelización y recreación virtual de procesos y fábricas enteras con software de simulación (CAPE).  

En el último cuarto del siglo XX surgen las tecnologías AM, que aprovechan todo este conocimiento desarrollado en la era digital, y que pueden superar las limitaciones de los procesos de construcción de piezas empleados hasta el momento, ya que se  pasa a fabricar por deposición controlada de material, capa a capa, aportando exclusivamente allí donde es necesario, hasta conseguir la geometría final, en lugar de arrancar material (mecanizado, troquelado), o conformar con ayuda de herramientas y moldes (fundición, inyección, plegado).

Así, pueden clasificarse los procesos de fabricación de piezas de la siguiente forma:

- Tecnologías conformativas: Utilizan preformas para obtener la geometría requerida (inyección plástico y metales, colada la vacío, etc.).

- Tecnologías sustractivas: Obtienen la geometría requerida sustrayendo material de una geometría mayor (mecanizado, electroerosión, corte por agua y corte por láser).

- Tecnologías aditivas (AM): Obtienen la geometría añadiendo material a partir de geometría virtual, sin uso de preformas (conformativas) y sin sustraer material sustractivas). 

Son muy diversas las técnicas de aplicación de AM que permiten obtener piezas directamente de un archivo CAD 3D, «imprimiéndolas» de forma totalmente controlada sobre una superficie. Por ello también se han empleado otros términos para referirse a ellas como e-manufacturing (fabricación electrónica), Direct Manufacturing (fabricación directa) o Additive Layer Manufacturing-ALM (fabricación aditiva por capas). 

Ventajas y desventajas de la tecnología AM Las principales características que distinguen el proceso de fabricación de sólidos por adición de capas de material (AM) de cualquier otro proceso de fabricación industrial, le confieren enormes ventajas competitivas, pueden resumirse en dos:  

1. La complejidad geométrica que se debe conseguir no encarece el proceso: características como la esbeltez, un vaciado interior, canales internos, los espesores variables, las formas irregulares e incluso la reproducción de la naturaleza (persiguiendo ergonomía, aerodinámica, hidrodinámica, entre otros) son retos que los métodos convencionales (sustractivos y conformativos) de fabricación de piezas no han resuelto más que con aproximaciones, ensamblajes o por medio de procesos de muy alto coste, y que para el AM son, en muchas ocasiones, propiedades muy poco relevantes a la hora de fabricar una pieza.   

La complejidad geométrica tiene una aplicación especialmente destacable en la reducción del peso de un objeto , por medio de estructuras internas huecas o jugando con la densidad de los materiales, por ejemplo. Las técnicas de AM pueden llegar incluso a materializar gradientes de porosidad en un mismo material, aligerando solo aquellas partes del producto que el diseñador estima que estarán menos solicitadas

Objetos multimaterial : en algunas tecnologías de AM, como es el caso de PolyJet de Stratasys, además de jugar con la porosidad de un mismo material, el AM puede fabricar aportando simultáneamente varios materiales en un mismo sólido. 

Productos ergonómicos : otra gran ventaja de la absoluta libertad geométrica que confiere el AM a sus productos es la adaptación de las formas a la biomecánica humana, de manera que los diseños alcancen una mejor interacción con el usuario sin necesariamente afectar los costos de fabricación.  

Mecanismos integrados en una misma pieza : al poder integrar distintas geometrías y materiales en un mismo sólido, el AM puede conseguir incluso que simultáneamente se fabrique un eje y su cojinete, un rodamiento, un muelle y su soporte, un tornillo sinfín y su corona; en definitiva, un mecanismo totalmente embebido en la pieza en la que debe trabajar, sin necesidad de armados y ajustes posteriores. 

2. La personalización no encarece el proceso: AM permite fabricar productos, sin imponer un alto el costo, independiente de si se tiene que fabricar un determinado número de piezas iguales o todas distintas, lo que facilita la personalización, que es una de las principales tendencias actuales en el desarrollo de productos con valor añadido; la personalización en masa es uno de los paradigmas que persigue la  industria en países desarrollados y que se considera clave para su sostenibilidad. 

Sin embargo este novedoso proceso de fabricación presenta tres importantes desventajas: el costo de la maquinaria , los precios van desde 10.000 euros de una pequeña impresora 3D hasta máquinas de más de un millón de euros, en función de la aplicación final del producto, del tipo de tecnologías AM que hay que emplear y de la calidad que se requiera para cada caso; y el desconocimiento de la dinámica del proceso, especialmente para piezas metálicas: son escasos los trabajos de investigación que han analizado los diversos aspectos de la mecánica del proceso aditivo y su evolución con el tiempo. Finalmente, la posibilidad futura que se abre de poder llegar a fabricar los productos de manera individual por parte del público en general, por ejemplo mediante descargas por Internet de diseños, hace que se deban considerar asuntos relacionados con la propiedad intelectual de dichos diseños.

¿Una nueva revolución industrial? El empleo de tecnologías de AM hace replantearse el propio concepto de fábrica que conocemos actualmente. El escenario AM contempla la posibilidad de que sean los usuarios finales quienes diseñen o configuren el producto a partir de un soporte web, y envíen el modelo digital a una «fábrica» que puede estar deslocalizada, o incluso a una impresora 3D local en su propio domicilio.  

La posibilidad de fabricar productos personalizados es algo cada vez más demandado en la actualidad, y basta pensar en fenómenos como el tunning de vehículos, que se podría facilitar de forma espectacular con estas tecnologías. Se podría incluso imaginar la posibilidad de una fábrica de automoción que únicamente produjera plataformas genéricas de vehículos, para facilitar la personalización absoluta en un entorno local, y en el que usuario final y el concesionario trabajasen mano a mano.