¿No tienes acceso a equipos científicos específicos? No te preocupes: imprímelos con fabricación aditiva

La necesidad de equipos científicos está aumentando en todo el mundo. Según una estimación, el tamaño del mercado de instrumentos científicos se espera que crezca de poco más de US$28 mil millones en 2022 a más de US$34 mil millones en 2028, con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 3,2%. 

Los equipos científicos de diferentes tipos ayudan a acelerar el desarrollo científico al reducir el riesgo de error humano y automatizar procesos iterativos. Permiten liberar tiempo para que los científicos ideen conceptos y soluciones.

Según Mikael Hagstroem, el Director Ejecutivo de Technology Networks, hasta el 70 % del tiempo de un trabajador de laboratorio puede desperdiciarse en la realización de tareas administrativas, trabajo de preparación, búsqueda y limpieza de datos, o elaboración de informes.

Dado que los instrumentos científicos ahorran mucho tiempo y facilitan eficazmente un proceso, puede resultar frustrante no tener acceso a un equipo científico específico en el momento adecuado. Pero hoy en día casi no hay razón para quejarse de esa disponibilidad.

La fabricación aditiva, conocida popularmente como impresión 3D, ha venido al rescate. Cómo la fabricación aditiva ayuda a acceder a equipos científicos específicos es algo que examinaremos en detalle en los próximos segmentos. Pero, antes de profundizar, veamos una breve descripción de qué es la fabricación aditiva o impresión 3D.

¿Qué es la fabricación aditiva?

Una explicación relevante sobre fabricación aditiva, publicada por la MIT Sloan School of Management, la define como ‘el proceso de crear un objeto construyéndolo capa por capa. Es lo opuesto a la fabricación sustractiva, en la que un objeto se crea cortando un bloque sólido de material hasta que el producto final está completo.’

En términos generales, el proceso de fabricación aditiva sigue una secuencia de tres pasos, que es la siguiente: 

• Primero, se crea un diseño en el laboratorio. Puede hacerse usando software de Diseño Asistido por Computadora (CAD) o similar. O bien se puede escanear directamente el objeto que se desea imprimir.
• El segundo paso implica que el software convierta el diseño, paso a paso, en una estructura en capas, que la máquina de fabricación aditiva o impresión 3D seguirá.
• El paso final, que también es la razón por la que el proceso se llama impresión 3D, consiste en enviar la estructura en capas a una impresora 3D, que entonces comienza a crear el objeto de inmediato. 

La fabricación aditiva o impresión 3D es compatible con una gran variedad de tipos de materiales, incluidos polímeros, metales, cerámicas, espumas, geles, biomateriales y más.

Según Arvind Kalidindi, candidato a doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en MIT:

“Mientras encuentres una manera de unir localmente dos partes, puedes imprimirlo en 3D.”

Esta versatilidad y casi universal compatibilidad hacen que la impresión 3D o fabricación aditiva sea adecuada para fabricar equipos científicos específicos. Ahora veremos algunos ejemplos a continuación: 

Componentes portátiles de espectrómetro de masas impresos en 3D y más

Un espectrómetro de masas es un dispositivo que puede identificar sustancias químicas. Los espectrómetros de masas se utilizan en diversas áreas de aplicación, desde escenas del crimen hasta estudios geológicos; cumplen muchas funciones. 

Un grupo de investigadores del MIT ha desarrollado un filtro de masa impreso en 3D que funciona como el componente central de un espectrómetro de masas. Conocido como cuadrupolo, este filtro miniaturizado es sustancialmente más ligero y barato que sus contrapartes tradicionales. Mientras que los filtros de masa de grado comercial, construidos con vidrio‑cerámica resistente al calor, resina, cuestan más de US$100,000, estos filtros de masa derivados de la fabricación aditiva cuestan unos pocos dólares y pueden producirse en horas. 

Según Velasquez‑Garcia, científico principal de investigación en los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas del MIT, “Existen otros filtros cuadrupolo miniaturizados, pero no son comparables con los filtros de masa de grado profesional. Hay muchas posibilidades para este hardware si el tamaño y el costo pudieran ser menores sin afectar negativamente el rendimiento.”

Aunque el ejemplo citado arriba es uno de los logros más recientes en el campo, ejemplos como este se han registrado previamente en la I+D de ciencia y tecnología. Por ejemplo, investigadores de la Universidad McGill han desarrollado una tecnología de diagnóstico lab-on-a-chip que reemplaza el uso de muchos instrumentos de laboratorio y funciona como tecnologías miniaturizadas. El chip puede producirse en 30 minutos mediante impresión 3D. Los informes sugieren que la solución puede capacitar a los profesionales de la salud con la capacidad de crear “soluciones a medida para necesidades específicas directamente en el punto de atención.” 

Otro equipo de investigadores del MIT utilizó impresión 3D multmaterial para crear dispositivos fluidicos auto‑calentables que incluyen elementos calefactores integrados. Son máquinas miniaturizadas que pueden manipular fluidos y facilitar reacciones químicas. En lugar de varias máquinas grandes y de alta gama trabajando simultáneamente, esta tecnología es capaz de detectar enfermedades en pequeñas muestras de sangre o fluidos. 

Acceso a equipos científicos desde una ubicación remota

La impresión 3D de equipos científicos y de laboratorio también ha ayudado a eliminar las limitaciones que aparecen en forma de distancia física/geográfica. Anteriormente, las impresoras 3D requerían que un operario capacitado estuviera presente en el sitio. Sin embargo, con el inicio de la pandemia de COVID‑19, surgieron soluciones que hicieron posible el trabajo remoto en el ámbito de la fabricación aditiva.

Por ejemplo, el MakerBot CloudPrint presentó una solución para que los equipos de ingeniería trabajen eficazmente de forma remota o desde ubicaciones distintas. Su plataforma de impresión 3D basada en la nube ofrece un flujo de trabajo sin interrupciones a equipos con presencia en múltiples lugares. Los ingenieros que trabajan en distintas ubicaciones pueden colaborar eficazmente con estas impresoras 3D al segmentar y preparar sus impresiones directamente desde un navegador. 

El dispositivo incluye funciones integradas de cola y monitoreo y permite a los usuarios añadir, supervisar y controlar el acceso a impresoras MakerBot conectadas desde cualquier lugar. También cuenta con un panel de control para el seguimiento centralizado y la monitorización del progreso de impresión. Las transmisiones de cámara en vivo ayudan a obtener las últimas actualizaciones de estado de los trabajos de impresión. 

Soluciones como estas y otras han hecho que el flujo de trabajo sea fluido, sin interrupciones y rentable para muchos fabricantes de equipos científicos. 

Tipos de fabricantes de equipos científicos que se benefician de la fabricación aditiva/impresión 3D

Los fabricantes de equipos de investigación espacial son un segmento que se beneficiará significativamente de la fabricación aditiva o impresión 3D. La investigación científica ha demostrado una forma de construir equipos de laboratorio impresos en 3D para medir materiales a granel en condiciones extremas que los proyectos de exploración espacial presentan a los investigadores. 

En 2022, la revista Nature mencionó un estudio donde se desarrolló un dispositivo impreso en 3D para medir la tensión superficial de nanofluidos. El resultado de la medición fue comparable con dispositivos comerciales. 

El estudio también investigó las posibilidades de usar instrumentos de medida mediante el método de impresión 3D por extrusión de material para medir propiedades mecánico‑físicas seleccionadas de materiales a granel en condiciones extremas. 

Otro tipo de fabricante de equipos científicos que se beneficia de la fabricación aditiva o impresión 3D pertenece al campo de la electrónica. La precisión de los procesos de fabricación aditiva basados en láser ayuda a crear sistemas microelectromecánicos. En este proceso se pueden desarrollar componentes complejos como acelerómetros y giroscopios. 

La fabricación de instrumentos educativos es otro campo que puede aprovechar la fabricación aditiva de manera eficiente. Existen impresoras 3D que ayudan a los estudiantes a experimentar con hardware de precisión y materiales de grado industrial. 

Algunas características comunes de estas instalaciones incluyen su capacidad para trabajar con una variedad de materiales de origen en una sola plataforma. Son seguras de usar y requieren poco o ningún equipo de protección personal. Los instrumentos de fabricación aditiva vienen con software integrado para un control y monitoreo fácil y sin interrupciones. 

Muchas empresas están facilitando la fabricación aditiva o impresión 3D para una variedad de industrias. Ahora veremos algunas de esas compañías.

#1. Markforged

Markforged ofrece un espectro completo de soluciones de fabricación aditiva, incluyendo máquinas de impresión 3D industriales, materiales de alto rendimiento como metales, fibra continua y composites, y software empresarial que ayuda a mejorar el flujo de trabajo. 

Markforged tiene tres tipos de impresoras 3D, incluyendo impresoras 3D de metal, impresoras 3D industriales de composite y impresoras 3D de composite de escritorio. Las industrias que utilizan estas soluciones incluyen aeroespacial, automotriz, bienes de consumo empaquetados, educación e investigación, fabricación de electrónica, energía, gobierno y defensa, equipos industriales, medicina, etc. 

Uno de los productos más populares de Markforged es el FX10, la impresora 3D industrial de composite de próxima generación de la compañía. El dispositivo incluye un módulo de visión y micrómetro láser, una cámara de material avanzada para carga rápida y menor intervención del usuario, una pantalla táctil de 7 pulgadas y una cámara de construcción calefaccionada que alcanza los 60 grados centígrados. 

Markforged anunció sus resultados del cuarto trimestre y del año completo 2022 en marzo de 2023. La compañía experimentó un aumento de ingresos del 11 % a $29.7 millones en el cuarto trimestre de 2022, frente a $26.6 millones en el cuarto trimestre de 2021. Los ingresos del año completo aumentaron un 11 % a US$101.0 millones en 2022, comparado con $91.2 millones en 2021. Sin embargo, la utilidad bruta disminuyó un 4 %, a $50.7 millones, en 2022, frente a $52.9 millones en 2021.

#2. Hewlett Packard

Otra gran empresa tecnológica que está fuertemente invertida en hacer la impresión 3D accesible para todos es Hewlett‑Packard o HP. Las soluciones de impresión 3D de HP se utilizan en una variedad de industrias, incluyendo aeroespacial, bienes de consumo y electrónica, educación, salud y medicina, industrial, servicios de fabricación, fibra moldeada, ortopedia y prótesis, transporte y automotriz, entre otras. Una de estas áreas de aplicación que requiere acceso a equipos científicos específicos es la Educación. La tecnología de fusión multi‑jet de HP ayuda a construir piezas y prototipos funcionales en múltiples disciplinas dentro de una institución educativa/investigadora, desde ingeniería hasta arquitectura. 

Las soluciones de impresión 3D Jet Fusion de HP ayudan tanto a la investigación básica como avanzada en laboratorios 3D, incluyendo aquellas realizadas en laboratorios de desarrollo, laboratorios de fabricación aditiva, oficinas de servicios universitarios y laboratorios 3D hospitalarios/medicos.

HP informó sus resultados del año fiscal 2023 y del cuarto trimestre el 21 de noviembre de 2023. HP Inc. (HPQ ) y sus subsidiarias (“HP”) registraron ingresos netos de $53.7 mil millones, un 15 % menos (12 % menos en moneda constante) respecto al periodo del año anterior. Los ingresos netos del cuarto trimestre fueron $13.8 mil millones, un 6 % menos (5 % menos en moneda constante) respecto al año anterior.

#3. Formlabs

Formlabs fue fundada por tres estudiantes de posgrado del MIT en 2011 con la misión de construir la primera impresora 3D que pudiera alcanzar una calidad de pieza industrial y profesional a un precio asequible. Desde entonces, la empresa se ha convertido en uno de los mayores proveedores de impresoras 3D profesionales de estereolitografía y sinterizado selectivo por láser del mundo. 

El portafolio de Formlabs combina impresoras 3D de escritorio asequibles y de calidad industrial, impresoras 3D de gran formato y impresoras 3D de escritorio avanzadas para el sector sanitario. Sus impresoras pueden trabajar con más de 20 resinas funcionales para prototipado y producción de piezas finales. También son compatibles con al menos seis materiales industriales de alto rendimiento, incluidos nylon 11, nylon 12, TPU, polipropileno, vidrio y composites de nylon rellenos de carbono. Las impresoras son aptas para trabajar en condiciones ambientales, siendo solo las resinas PU las que requieren un gabinete seco para controlar la humedad. También funcionan bien en entornos de aire y en atmósfera de nitrógeno para mejorar las propiedades del material y reducir las tasas de refresco.

Según los informes publicados en 2021, la compañía había duplicado su valoración a US$2 mil millones, tras una ronda de financiación de US$150 millones liderada por Vision Fund 2 de SoftBank Group. Antes de eso, la empresa estaba valorada en más de $1 mil millones cuando recaudó $15 millones de New Enterprise Associates (NEA) en agosto de 2018.

Fabricación aditiva: un cambio de juego en el campo de la investigación científica

La investigación científica requiere máquinas de vanguardia, pero estos son dispositivos de alto costo que a menudo están fuera del alcance de instituciones de investigación y de investigadores independientes. En este contexto, la impresión 3D o la fabricación aditiva son una bendición, ya que son fáciles de desarrollar y de bajo costo. Además, ofrecen resultados comparables con los dispositivos comerciales en precisión, los cuales son mucho más caros y típicamente solo accesibles para grandes empresas e instituciones.

Además, la fabricación aditiva también resuelve los desafíos logísticos. Esto es crucial porque llevar el equipo científico exacto en el momento específico de necesidad puede ser costoso y consumir mucho tiempo. En este sentido, la impresión 3D también ayuda a solucionar ese desafío.

Adicionalmente, al considerar los aspectos físicos del equipo científico, que a menudo es pesado e intrincado y no propicio para su transporte a lugares difíciles, los beneficios se vuelven aún más evidentes. Como ya hemos visto en escenarios de exploración espacial y estudios geológicos, llevar impresoras 3D portátiles y materias primas a esos lugares es útil para desarrollar el equipo in situ.

En conjunto, estos factores demuestran que la fabricación aditiva abre un nuevo horizonte donde el acceso a equipos científicos se vuelve no solo más asequible, sino también una tarea sin complicaciones.

Haga clic aquí para la lista de las mejores acciones de impresión 3D y fabricación aditiva.