BioPrinter

El mundo de la impresión 3D

La impresión 3D es un método de fabricación aditiva, que consiste en una técnica de producción controlada por computadora que construye un producto capa por capa. Aunque existen diferentes técnicas disponibles, los tres componentes básicos son[1]:

Diseño digital.
Tecnología de impresión 3D.
Material utilizado.

Las tecnologías de impresión 3D se pueden dividir en varias clases, esquematizadas en la siguiente figura.

En principio, todo tipo de materiales puede ser utilizado para manufactura con técnicas de impresión 3D; desde arena a metales, cerámica, comida, células vivas y plástico. Las características principales de interés son la temperatura de fusión, viscosidad de fusión y tiempo de coagulación[1].

En los últimos años, el plástico se ha posicionado como el material más utilizado en manufactura, alcanzando una producción global anual de 300 millones de toneladas aproximadamente. El consumo de plástico en Chile es del orden de las 900.000 toneladas anuales (50 kg/habitante/año), siendo los plásticos más utilizados los polietilenos de alta y baja densidad (PEAD y PEBD), polipropileno (PP) y polietilentereftalato (PET). Se estima que el 10% del plástico producido globalmente se convierte en desechos oceánicos, representando una significativa amenaza ecológica y a la salud humana[2].

Debido a sus propiedades mecánicas y su bajo costo económico, el plástico es el material más utilizado para impresión 3D.

Plásticos más utilizados

Los plásticos para impresión 3D corresponden a filamentos, empaquetados en bobinas, los que corresponden a: PLA, ABS y PET. A continuación se presentan ventajas y desventajas de cada material, además de aplicaciones típicas de los mismos.

Poliácido Láctico (PLA)
Este es el material más utilizado por quienes se inician en el mundo de la impresión 3D, se utiliza especialmente para fabricación de elementos decorativos, figuras como maquetas y prototipos.
Ventajas	Desventajas
- Facilidad de impresión. - No necesita cama caliente. - Muy estable. - Velocidad de impresión más rápida que otros materiales. - Procede de materia orgánica (maiz, trigo, yuca, etc.). - Biodegradable. - Reciclable.	- Baja resistencia térmica (Se vuelve endeble a partir de los 60°C). - Baja resistencia mecánica. - Sensible a la humedad.

Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS)
Este material procede del petróleo, es muy utilizado en la indstria para fabricación de elementos mecánicos, piezas de automoción, entre otros. También se puede utilizar para elementos decorativos y otras aplicaciones.
Ventajas	Desventajas
- Muy estable a altas temperaturas (de 80°C a 90°C). - Conserva tenacidad a temperaturas extremas (de -40°C a 90°C). - Alta capacidad de mecanizado (lijar, perforar, etc.). - Resistente a ataques químicos. - Muy resistente a impactos.	- Requiere de experiencia en impresión 3D. - Dificultad de impresión. - Contracción entre capas más rápidas que el PLA, pudiendo resquebrajarse. - Puede producirse efecto warping.

Tereftalato de Polietileno (PET)
Es muy utilizado para fabricar cualquier tipo de objeto o envase de uso alimenticio, elementos decorativos con transparencia, y otros.
Ventajas	Desventajas
- Alta transparencia, incluso en filamentos de color. - Alta resistencia al desgaste y corrosión. - Buena resistencia química y térmica. - Resistente a impactos. - Impermeable. - Resiste esfuerzos permanentes (flexibilidad). - Baja absorción de humedad. - En el uso doméstico, permite cocción en microondas. - Alta capacidad de mecanizado. - Resistente a ácidos, bases y grasas.	- Levemente tóxico. - No es biodegradable. - Se vuelve endeble a partir de 70°C.

Biomateriales

Como se expuso anteriormente, el amplio uso de plásticos ha generado una verdadera crisis ambiental, con lo que se hace necesario incentivar el uso de materiales amigables con el medioambiente, que permitan una mejor gestión de residuos. Es aquí donde toman protagonismo los biomateriales, los que son fabricados a partir de abundantes fuentes de ingredientes naturales, por ejemplo: minerales, alimentos, desechos de la agricultura, entre otros.

En el caso de alimentos para producir biomateriales, se pueden usar numerosos tipos de cultivos para extraer azúcares, almidones, aceites o lignocelulosas, desde remolacha azucarera, maíz, colza, pastos perennes hasta residuos de cultivos. Estos cultivos pueden convertirse en productos químicos a granel de base biológica a través de diferentes técnicas de conversión. Los productos químicos a granel de base biológica a menudo son productos intermedios y se pueden convertir en una amplia gama de plásticos de base biológica[1].

Biomateriales extruibles

Debido a la gran diversidad de materias primas que son útiles para formar un biomaterial, estos poseen una variada cantidad de propiedades interesantes, que pueden ser aplicadas en distintos ámbitos, ya sea desde un biomaterial comestible a incluso uno capaz de neutralizar olores. Debido a que en este proyecto se busca imprimir y construir figuras 3D, se buscan biomateriales pastosos, con el fin de que sean fáciles de extruir. Dentro del FABLAB se manejan ciertos materiales con esta característica.

Para lograr imprimir con distintos materiales se debe utilizar un cabezal intercambiable según la densidad del material. Además, el material de impresión debe cumplir con el requisito de solidificar a temperatura ambiente. Aunque otra posibilidad es acoplar elementos a la impresora, tales que permitan variar la temperatura de extrusión y secado del respectivo material, por ejemplo, añadir una hot bed en la superficie de impresión hace posible modificar la temperatura de secado, ampliando la gama de materiales disponibles. En la página Materiom.org se proporcionan diversas recetas de biomateriales que se pueden testear en este dispositivo.

Componentes y detalles; BioPrinter

El modelo original de esta máquina corresponde a una MakerBot Replicator 2, donde el software para manejarla fue modificado con Arduino y ciertas componentes aditivas especiales para impresoras 3D. El programa de Arduino maneja todas las especificaciones de la máquina, asi como la velocidad del movimiento de los ejes, la pantalla de control, temperatura en caso de trabajar con este requerimiento, entre otros.

Se agregó una fuente de poder de 12V y 20 amperes para alimentar todos los componentes presentes en la impresora de biomateriales. Todas las especificaciones técnicas y eléctricas respecto al funcionamiento ya estan cubiertas para el presente proyecto, por lo que se han omitido en esta información.

Extrusor

Dado que el extrusor de la Makerbot2 está diseñado para un filamento de plástico, para lograr depositar un biomaterial es necesario diseñar un extrusor cuya boquilla sea acorde al material, además de tener una resistencia a la presión suficiente para poder comprimirlo. Otro punto a tener en consideración consiste en el depósito de material, dado que en este caso, no corresponde a un filamento.

Si el material a imprimir se encuentra arriba junto con el extrusor, se tendría una posible sobrecarga para los motores que mueven los ejes, lo cual puede desencadenar en alguna falla de estos mismos. Incluso existiría el riesgo de caída del material hacia la impresion, evento totalmente indeseable en el desarrollo de esta.

Por ende, el diseño inicial contaba de un depósito que se conecta a la boquilla mediante una manguera. Este consistía en un contenedor con un tornillo sin fin para empujar el material, el problema de este diseño era la restricción que se generaba en la cantidad de material, por lo que se desecho este prototipo.

Para evitar restringir la cantidad de material disponible para la impresión, se diseña un contenedo rellenable, con un tornillo de Arquímides, capaz de impulsar el material hacia la boquilla. Este se puede observar en la siguiente figura.

La boquilla a utilizar queda presente en la siguiente figura.

Como se puede observar en la figura anterior, la boquilla presenta dos agujeros por los cuales las mangueras se conectarían, llenando asi parcialmente el contenedor y tendría un continuo flujo de material para imprimir. El transporte del material por las mangueras se puede hacer con un compresor.

Chasis

Para el diseño del chasis se buscó plasmar la idea open source, persiguiendo la mayor visibilidad de la impresora, para esto se pensó en 2 paredes transparentes de acrilico en los costados laterales, para que se pudiera apreciar la máquina trabajando. Para la cara trasera se colocaría una pared de aluminio por estetica y para la cara delantera se busca cubrir solo los bordes, es decir, el esqueleto de la impresora original, para evitar dificultades al retirar la impresión 3D, igualmente con aluminio. En la siguiente figura se plasma lo buscado.

Chasis de BioPrinter

Referencias

[1] Wijk, A. and Wijk, I. (2015). 3D printing with biomaterials. Amsterdam: IOS Press.
[2] Replacing Plastics with Biomaterial (Penn State College of Agricultural Sciences). (2019). [online] Available at: https://agsci.psu.edu/research/impacts/replacing-plastics-with-biomaterial [Accessed 30 Dec. 2019].
[3] Materiom.org. (2018). [online] Available at: https://materiom.org/ [Accessed 30 Dec. 2019].

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