Ejercicios: La impresión 3D

Explica con tus palabras cómo fabrica una impresora 3D de filamento: de dónde sale el material, cómo se deposita y por qué se dice que construye «capa a capa». Compáralo con esculpir una figura de un bloque de madera: ¿qué diferencia fundamental hay entre añadir y quitar material?

La figura muestra el flujo completo desde la idea hasta la pieza impresa, pero el paso central está tapado.

Explica qué ocurre en el paso tapado —el llamado «laminado»—: qué hace el programa laminador con el modelo (cortarlo en capas finas) y qué archivo genera para la impresora. Razona por qué no se puede conectar el modelo 3D directamente a la impresora sin ese paso.

El material más usado en las impresoras del aula es el filamento PLA, una bobina de «hilo» de plástico. Explica qué le ocurre a ese filamento dentro de la impresora (se funde, se deposita y se solidifica) y nombra dos razones por las que el PLA es el material favorito en los colegios.

Antes de imprimir, el modelo se guarda en un archivo llamado STL. Explica qué crees que contiene ese archivo (la descripción de la superficie de la pieza mediante pequeños triángulos) y por qué ese archivo sirve para cualquier impresora, sea de la marca que sea.

El programa laminador genera un archivo con las órdenes exactas para la impresora, llamado G-code. Sin entrar en el código, explica qué tipo de órdenes crees que lleva: qué le dice a la impresora sobre los movimientos del cabezal, la temperatura y la cantidad de filamento que debe salir en cada momento.

Nombra tres objetos cotidianos que tenga sentido imprimir en 3D en un colegio y explica para qué sirve cada uno: piensa en repuestos (una perilla rota), material de clase (un modelo de molécula) y objetos personalizados (un llavero con tu nombre). ¿Qué tienen en común esos tres casos?

La impresión 3D no es mágica: una pieza de unos centímetros puede tardar dos horas, el tamaño está limitado por la base de la impresora y las piezas son menos resistentes que las de plástico inyectado. Explica cada uno de esos tres límites y pon un ejemplo de objeto que NO imprimirías por cada uno.

La impresora del aula trabaja con una boquilla muy caliente y piezas móviles. Redacta cuatro normas de seguridad y de convivencia para usarla en clase: qué no tocar mientras imprime, quién retira la pieza y cuándo, qué hacemos con los restos de filamento y por qué no se deja imprimiendo sin vigilancia.

Estos pasos del proceso de impresión están desordenados: (a) cargar el archivo en la impresora y empezar, (b) exportar el modelo como STL, (c) diseñar la pieza en el programa de CAD, (d) abrir el STL en el laminador, elegir la altura de capa y generar el G-code, (e) esperar a que la pieza se enfríe y retirarla de la base. Ordénalos y explica qué saldría mal si te saltaras el paso (d).

La figura muestra una pieza cónica vista de lado, tal como queda construida por capas de filamento.

Explica, mirando la figura, cómo se ha construido la pieza capa a capa, por qué los laterales curvos quedan como una escalera de peldaños y qué ocurriría con esos peldaños si imprimiéramos con capas de $0,1\ \text{mm}$ en vez de $0,2\ \text{mm}$ (y qué pagaríamos a cambio).

El laminador deja elegir la altura de capa: $0,3\ \text{mm}$ (borrador) o $0,1\ \text{mm}$ (calidad fina). Una pieza de $30\ \text{mm}$ de alto necesita con cada ajuste un número de capas distinto: calcula cuántas capas son en cada caso y razona qué ajuste elegirías para (a) un prototipo rápido para probar el tamaño y (b) la pieza final de un regalo.

Las piezas impresas no salen macizas: por dentro llevan un entramado llamado relleno (infill), por ejemplo al $20\ \%$. Explica qué ventaja tiene imprimir así (tiempo y filamento ahorrados) y razona qué porcentaje de relleno elegirías para (a) una figura decorativa y (b) un gancho del que deba colgar una mochila.

La primera capa es la más importante: si no se pega bien a la base, la pieza se suelta a mitad de impresión y todo se estropea. Explica qué trucos ayudan a que se pegue (la base caliente, empezar despacio, añadir una «falda» alrededor de la pieza) y qué harías si ves que una esquina de la pieza empieza a levantarse.

Una figura con los brazos en cruz no se puede imprimir tal cual: el filamento no se sostiene en el aire. Explica qué son los soportes, por qué la letra T impresa boca arriba los necesita en los extremos y qué dos estrategias permiten evitarlos (cambiar la orientación de la pieza o dividirla en dos partes que se pegan después).

Un llavero tarda $40\ \text{min}$ y usa $6\ \text{g}$ de filamento. Calcula, con proporcionalidad sencilla: (a) cuánto tardarán y cuánto filamento gastarán los $25$ llaveros del curso y (b) cuántos llaveros salen, como máximo, de una bobina de $1\ \text{kg}$ si descontamos un $10\ \%$ de filamento que se pierde en pruebas y soportes.

Al abrir un archivo de G-code se ven miles de líneas con coordenadas y temperaturas. Sin saber el lenguaje, razona qué información debe repetirse en esas líneas (a dónde se mueve el cabezal y cuánto material expulsa) y explica por qué un pequeño error en las primeras líneas (por ejemplo, la altura inicial) puede arruinar toda la pieza.

Para el llavero del curso hay dos opciones: imprimirlo en 3D o recortarlo en madera con la sierra de calar. Compara ambos procesos en tiempo por unidad, precisión, residuo que genera cada uno y posibilidad de personalizar cada llavero con un nombre distinto, y concluye cuál elegirías para $30$ unidades personalizadas.

Una impresión ha salido mal: la pieza se despegó de la base a mitad de trabajo y hay hilos finos de plástico entre las torres de la figura. Diagnostica la causa probable de cada uno de los dos fallos por separado y propón una solución concreta para cada uno, explicando qué ajuste del laminador o de la impresora tocarías.

Una pieza alargada con un saliente se puede acostar o imprimir de pie. Analiza las dos orientaciones: en cuál las capas quedan en la dirección que más resiste cuando se dobla la pieza, en cuál hacen falta soportes para el saliente, y elige la orientación final razonando entre resistencia, soportes y tiempo de impresión.

Has diseñado un portalápices con figuras y ganchos que sobresalen horizontalmente de los bordes. Al laminar el modelo, descubres que requiere una gran cantidad de soportes, lo que arruinará el acabado superficial y aumentará mucho el tiempo de impresión. Propón dos estrategias geométricas de rediseño distintas para que el objeto pueda imprimirse en FDM completamente sin soportes, y justifica técnicamente por qué cada una de tus soluciones evita que el filamento caiga al vacío.

Un compañero afirma: «En pocos años las fábricas tradicionales cerrarán porque saldrá más barato que cada familia imprima en casa en 3D todo lo que necesite, desde unas zapatillas hasta un celular o una vajilla». Rebate técnicamente su afirmación aportando tres limitaciones de la impresión 3D doméstica frente a la fabricación industrial en masa, y defiende dos situaciones reales donde la impresión 3D sí resulta claramente superior a una fábrica.

Se ha roto la perilla del selector de un microondas. La pieza original cuesta $\text{Bs}\ 18$, mientras que imprimir un duplicado en PLA en el taller cuesta solo $\text{Bs}\ 0,50$ de filamento. Evalúa críticamente la viabilidad de fabricar este repuesto: analiza dos ventajas claras frente a comprar el original, dos dificultades o limitaciones técnicas reales (mecánicas, térmicas o de diseño) que pueden hacer que la pieza falle, y concluye justificando qué condiciones debe reunir una pieza doméstica para que merezca la pena fabricar su repuesto en casa.

Una bobina de PLA de $1\ \text{kg}$ cuesta $\text{Bs}\ 154$. Cada pieza del proyecto pesa $12\ \text{g}$, pero hay que descontar un $15\ \%$ de la bobina que se pierde entre purgas, soportes y piezas fallidas. Calcula cuántas piezas útiles salen de una bobina, cuánto cuesta el material de cada pieza y cuántas bobinas hay que comprar para todo el curso de $60$ piezas, con el costo total.

El colegio quiere crear un pequeño «taller de fabricación digital» con una impresora 3D compartida entre varios cursos. Diseña su organización: cómo se piden los trabajos y en qué formato llegan los archivos, quién revisa que las piezas sean imprimibles antes de ponerlas en cola, cómo se reparte el costo del filamento y qué norma de plazos evita que todos impriman la víspera de la entrega.