Fundamentos de Programación e Impresión 3D: Conceptos y Tecnologías

Conceptos Fundamentales de Programación

Programa

Conjunto ordenado de instrucciones que se dan al ordenador indicándole las operaciones o tareas que ha de realizar para resolver un problema.

Lenguaje de Programación

Sistema de símbolos y reglas que permite la construcción de programas con los que la máquina puede operar para resolver problemas de manera eficaz.

Algoritmo

Conjunto de instrucciones que, realizadas en orden, conducen a obtener la solución de un problema.

Elementos de un Programa

Identificador

Formado por una serie de caracteres que permite dar nombre a todo lo que manipulamos dentro de un programa, por ejemplo:

• Variables
• Constantes
• Funciones

Variables

Identificador que puede tomar diferentes valores.

Estructuras de Control

• Estructura secuencial
• Estructura selectiva
• Estructura repetitiva (bucles)

Introducción a la Impresión 3D

La impresión 3D es un proceso de fabricación de objetos sólidos siguiendo procedimientos de adición y curado de materiales. Los objetos se fabrican a partir de modelos digitales creados por medio de programas de CAD (Diseño Asistido por Computadora).

Tecnologías de Impresión 3D

Modelado por Deposición Fundida (FDM) / Impresión por Extrusión de Polímero

La máquina dispone de un carrete de polímero (filamento) que es calentado y extruido a través del cabezal sobre la bandeja o cama, capa por capa.

Fotopolimerización (SLA/DLP)

Se basa en la utilización de polímeros líquidos (resinas) sensibles a la luz ultravioleta. Las resinas se depositan en capas que se solidifican al ser expuestas a la luz de un láser ultravioleta o un proyector.

Impresión por Inyección (Material Jetting)

Funciona de forma similar a una impresora de chorro de tinta, lanzando gotas de diversos materiales (como resinas fotopoliméricas) que se curan posteriormente, a menudo con luz UV.

Existen varias tecnologías de impresión 3D, pero la que está llegando al público en general es la que se basa en la deposición de material fundido por capas (como FDM). En este ámbito destaca el proyecto RepRap.

Proyecto RepRap

El proyecto RepRap tiene como fin producir máquinas autorreplicables. Además, se puso como objetivo que fueran de bajo coste y diseño libre (open source).

Tecnología RepRap (Basada en FDM)

La tecnología RepRap (y la mayoría de impresoras FDM de escritorio) consiste en calentar un filamento de material plástico hasta fundirlo, hacerlo pasar por una boquilla estrecha y depositarlo en capas sucesivas sobre una plataforma hasta formar el objeto deseado.

Componentes y Proceso Básico (FDM)

Las impresoras más populares (basadas en FDM) disponen de una bandeja o cama en la que, por medio del cabezal de impresión móvil, se va depositando el material fundido que formará el objeto que queremos fabricar.

Movimiento del Cabezal

El cabezal tiene movimiento en los dos ejes perpendiculares al plano de la bandeja de impresión (X e Y). Cada vez que se termina de imprimir una capa, el conjunto del cabezal (o la cama, según el diseño de la impresora) sube o baja un paso (movimiento en el eje Z) para continuar el proceso con la capa siguiente.

Materiales Comunes (Filamentos FDM)

¿Cuáles son los 2 plásticos más utilizados para la impresión 3D FDM?

Los plásticos más utilizados son el ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno) y el PLA (Ácido Poliláctico).

¿Cuál es biodegradable y cuál no?

• PLA: Es biodegradable (derivado de recursos renovables como el almidón de maíz o la caña de azúcar).
• ABS: No es biodegradable (derivado del petróleo).

Ejemplos de uso:

• ABS: Se utiliza para piezas que requieren resistencia mecánica, térmica y durabilidad, como las piezas de Lego, componentes de automóviles o carcasas de dispositivos electrónicos.
• PLA: Se usa comúnmente para prototipos rápidos, modelos visuales, figuras decorativas y algunos envases (verificar certificación para contacto alimentario). Es más fácil de imprimir que el ABS.

Flujo de Trabajo en Impresión 3D

Fases Principales

1. Diseño: Se crea o se obtiene un modelo 3D del objeto. Se necesita un programa de CAD (Diseño Asistido por Computadora) que, a ser posible, permita trabajar directamente en 3D. El modelo se exporta usualmente en formato STL u OBJ.
2. Laminado: El modelo 3D (archivo STL/OBJ) se procesa con un software laminador (slicer). Este programa divide el modelo en capas finas y genera el código de instrucciones (G-code) que la impresora puede entender.
3. Impresión: Se carga el archivo G-code en la impresora (mediante tarjeta SD, USB o red) y se inicia el proceso de fabricación aditiva capa por capa.
4. Post-procesado: Una vez impresa la pieza, pueden ser necesarias tareas como retirar estructuras de soporte (si las hubiera), limpiar, lijar, pulir, pintar o ensamblar la pieza para obtener el acabado final deseado.

Software Necesario

Modelado 3D (CAD)

Para modelar una pieza u objeto en 3D necesitamos un programa de CAD. Desde este software se deben exportar los ficheros en alguno de los formatos de malla reconocidos por el programa laminador (como STL o OBJ).

Los programas de CAD trabajan con modelos geométricos precisos. Para imprimir en 3D, dos ejemplos de estos programas (de software libre) son OpenSCAD (basado en scripting) y FreeCAD (paramétrico).

Laminadores (Slicers)

Los programas laminadores (slicers) leen un archivo en formato de malla (ej. STL, OBJ) y producen un archivo de G-code (instrucciones para la máquina). Este archivo será cargado en la impresora por medio de una tarjeta de memoria, un puerto USB o conexión de red.

El laminador es el que transforma nuestra creación digital en las finas capas y trayectorias que serán impresas. Dos ejemplos populares de este tipo de programas son Cura y Slic3r (o sus derivados como PrusaSlicer).