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| IMPRESIÓN Y ESCANEO 3D |

FAB LAT - FAB ACADEMY

Por: MAA. Robert Garita Garita

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Módulo Simulación de Procesos de Producción para Fabricación Digital | MAA. Robert Garita Garita

ESCANEADO de objetos tridimensionales (dar click en el texto de color) Un escáner 3D es un dispositivo que analiza un objeto o una escena para reunir datos de su forma y ocasionalmente su color. La información obtenida se puede usar para construir modelos digitales tridimensionales que se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. El modelo tridimensional del objeto se puede utilizar en muchos y diversos campos y aplicaciones tales como diseño industrial, medicina, arqueología, arquitectura, ingeniería, y entretenimiento (películas y videojuegos).  Funcionalidad El propósito de un escáner 3D es, generalmente, el de crear unanube de puntos a partir de muestras geométricas en la superficie del objeto. Estos puntos se pueden usar entonces para extrapolar la forma del objeto - proceso llamado reconstrucción -. Si la información de color se incluye en cada uno de los puntos, entonces los colores en la superficie del objeto se pueden determinar también. 

 Proceso de Reconstrucción La salida del escáner es una nube de puntos inconexos. Normalmente los programas de tratamiento de objetos 3D no utilizan estos datos directamente, sino que utilizan modelos 3D poligonales. El proceso de transformación de la nube de puntos a un polígono tridimensional, lo cual conocemos como reconstrucción. La reconstrucción implica encontrar puntos adyacentes para unirlos formando así una superficie. Los procesos de reconstrucción presentan muchas de sus veces problemas tales como: creación de triángulos muy deformados, que unen dos superficies que no están unidas en el objeto real. Es por esto que el proceso de reconstrucción siempre necesita una ayuda humana para llevarse a cabo. A continuación programas open source para realizar el proceso de reconstrucción:

➔ MeshFix by Marco Attene ➔ PolyMender by Tao Ju ➔ ReMesh by Marco Attene ➔ TrIMM by Christian Moritz. ➔ Graphite by ALICE, INRIA Nancy Grand-Est / Loria. ➔ MeshLab by Paolo Cignoni and other developers. ➔ OpenFlipper by Jan Möbius and other developers. ➔ Geometric Modelling Based on Polygonal Meshes by Mario Botsch, Mark Pauly, Leif Kobbelt, Pierre Alliez, Bruno Levy, Stephan

Bischoff, Christian Rössl. Source Code complementary to the Course at SIGGRAPH 2007 Si se define unsistema esférico de coordenadas y se considera que el origen es el escáner, cada punto analizado se asocia con una coordenada φ y θ y con una distancia, que corresponde al componente r. Estas coordenadas esféricas describen completamente la posición tridimensional de cada punto en el modelo, en un sistema de coordenadas local relativo al escáner.

 

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Cómo funciona un Escáner 3D (dar click en el texto de color) Existen dos tipos de de escáneres 3D, los que toman las medidas por contacto con el objeto y los que toman sin hacer contacto con el objeto. Cada tipo tiene ventajas e inconvenientes, los cuales se describen a continuación: Escáner de contacto Estos escáneres miden el objeto mediante contacto físico. Normalmente los escáneres de este tipo son muy precisos, pero muy lentos comparados a los otros, dado que es necesario la captura de una gran nube de puntos y consecuentemente un enorme trabajo manual. Una desventaja importante de este tipo es que al realizar su medición es necesario el contacto con el objeto y puede dañarlo o modificarlo si no es completamente rígido o es muy frágil. Escáner sin contacto Miden las dimensiones del objeto sin ningún tipo de contacto con el objeto. Dentro de este tipo de escáneres podemos distinguir dos subtipos: los activos, que emiten luz o algún otro tipo de radiación para detectar su reflejo, y los pasivos, que utilizan la radiación ambiental que se refleja en los objetos para medirlos.

Escáner de contacto (FARO ScanArm). Escáner sin contacto (Sense 3D System).

Los escáneres activos emiten alguna clase de señal y analizan su retorno para capturar la geometría de un objeto o una escena. Se utilizan radiaciones electromagnéticas (desde ondas de radio hasta rayos X) o ultrasonidos. Los escáneres basados en el tiempo de vuelo (time of flight ) de la luz determinan la distancia a la escena cronometrando el tiempo del viaje de ida y vuelta de un pulso de luz. Un diodo láser emite un pulso de luz y se cronometra el tiempo que pasa hasta que la luz reflejada es vista por un detector. Como la velocidad de la luz C es conocida, el tiempo del viaje de ida y vuelta determina la distancia del viaje de la luz, que es dos veces la distancia entre el escáner y la superficie. Si T es el tiempo del viaje completo, entonces la distancia es igual a (C * T)/2. Claramente la certeza de un escáner láser de tiempo de vuelo 3D depende de la precisión con la que se puede medir el tiempo T: 3,3 picosegundos (aprox.) es el tiempo requerido para que la luz viaje 1 milímetro. Se utilizan láseres visibles (verdes) o invisibles (infrarrojo cercano). Por tanto, entre más precisos sean en medir este tiempo, más precisos serán en medir la distancia. El telémetro láser sólo detecta la distancia en el punto de la dirección del láser, por tanto, se escanea todo el campo de visión punto a punto. Para ello, o bien se mueve la dirección del telémetro, o bien se utilizan espejos rotatorios para dirigir el láser. La mayoría de los escáneres utilizan espejos, ya que son más fáciles de manejar que el telémetro por ser mucho más ligeros. Este tipo de escáneres tiene una velocidad de unos 10.000 - 100.000 puntos por segundo. La ventaja de los escáneres basados en el tiempo de vuelo, es que pueden operar a distancias muy grandes (del orden de kilómetros), por tanto, son muy apropiados para escanear grandes estructuras como edificios o accidentes geográficos. La desventaja radica en su precisión, que suele ser del orden de los milímetros.

Escáner 3D Iglesia de las Cinco Llagas - Sevilla. Escaneo del Monte Matterhorn - Frontera Suiza / Italia

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Los escáner que miden los objetos por triangulación, también utilizan un láser para medir el entorno. A diferencia de los escáneres que miden el tiempo de vuelo de la luz, estos utilizan una cámara para localizar la posición del punto del láser. En función de la distancia del objeto, el láser aparece en distinta posición que el campo de visión de la cámara. A esta técnica se le llama triangulación, porque el emisor láser, que incide en el objeto y la cámara firman un triángulo.

  Esquema de un escáner de triangulación.

La longitud de un lado del triángulo y la distancia entre el emisor láser y la ca,ar, son conocidas. El ángulo formado por lo lados adyacentes al emisor también es conocido. Por último, el ángulo de los lados adyacentes a la cámara, se pueden determinar mirando la posición del punto del láser en el campo de la visión de la cámara. Con esta información se puede determinar la forma y tamaño del triángulo y, por tanto, la distancia a la que se encuentra el objeto. En la mayor parte de este tipo de escáneres, se utiliza una línea en lugar de un punto láser para acelerar el proceso de adquisición. Las ventajas e inconvenientes de los escáneres basados en la triangulación, son los opuestos a los escáneres basados en el tiempo de vuelo de la luz. Los basados en triangulación, no permiten escanear objetos a grandes distancias (no llegan normalmente a la decena de metros), pero pueden obtener una precisión del orden de los micrómetros. Existen otros tipos de escáneres activos, como los que utilizan luz estructurada. Estos escáneres proyectan un patrón sobre un objeto y miden la deformación, con una cámara de técnica similar a la de la triangulación. La ventaja de los escáneres que utilizan luz estructurada es la velocidad. En lugar de escanear un punto en cada instante, pueden escanear múltiples puntos y llegar a escanear todo el campo de visión de una vez. Existen escáneres de este tipo que pueden llegar a escanear objetos en movimiento en tiempo real. También existen escáneres que miden los objetos sin entorno de forma pasiva. Estos se caracterizan por no emitir ningún tipo de luz ni otro tipo de radicación, sino que detectan la radiación ambiente reflejada por el objeto. La mayor parte de los escáneres pasivos suelen ser baratos, porque en la mayor parte de los casos no se necesita de un hardware especial. Los escáneres estereoscópicos también son del tipo pasivo. Utilizan dos cámaras separadas horizontalmente que miran a la misma escena. Analizando las diferencias entre las dos cámaras, es posible determinar la distancia de cada punto de la imagen, de la misma manera que lo hacemos los seres humanos.  Aplicaciones (dar click en el texto de color) Una de las aplicaciones de los escáneres 3D es para el ocio. En la industria del ocio se utilizan para crear modelos digitales en películas y videojuegos. Para estos modelos, normalmente es más rápido crear manualmente los modelos y después escanearlos, que crear los modelos digitales en un computador. En construcción y en ingeniería civil, por ejemplo creando mapas GIS, catalogando lugares, modelando terrenos, etc. La ingeniería inversa de componentes mecánicos también se aprovecha de los escáneres 3D, ya que se utilizan para escanear una pieza mecánica y después, utilizar los puntos escaneados para crear un modelo digital de la pieza en cuestión. Otra aplicación, es el uso de los escáneres para el reconocimiento facial.

Video juegos. Reconocimiento Facial.

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IMPRESIÓN 3D Introducción (dar click en el texto de color) La impresión 3D es un grupo de tecnologías de fabricación por adición donde un objetotridimensional es creado mediante la superposición de capas sucesivas de material. Las impresoras 3D son por lo general más rápidas, más baratas y más fáciles de usar que otras tecnologías de fabricación por adición, aunque como cualquier proceso industrial, estarán sometidas a un compromiso entre su precio de adquisición y la tolerancia en las medidas de los objetos producidos. Las impresoras 3D ofrecen a los desarrolladores de producto, la capacidad para imprimir partes y montajes hechas de diferentes materiales con diferentes propiedades físicas y mecánicas, a menudo con un simple proceso de montaje. Las tecnologías avanzadas de impresión 3D, pueden incluso ofrecer modelos que pueden servir como prototipos de producto.

Desde 2003 ha habido un gran crecimiento en la venta de impresoras 3D. De manera inversa, el coste de las mismas se ha reducido.2 Esta tecnología también encuentra uso en los campos tales como joyería, calzado, diseño industrial, arquitectura, ingeniería y construcción, automoción y sector aeroespacial, industrias médicas, educación, sistemas de información geográfica, ingeniería civil y muchos otros.

Descripción general del proceso de fabricación aditiva

Cronología

➔ Año 1983 Chuck Hull, un inventor destacado en el campo de la óptica iónica, idea el primer método de impresión 3D: la estereolitográficas.

➔ Año 1988 La compañía 3D Systems, fundada por Chuck Hull, comercializa las primeras máquinas de impresión estereolitográficas.

Chuck Hull., Co-Fundador, presidente y director de 3D System. Proceso de impresión estereolitográficas.

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➔ Años 1988 – 1990 Se desarrollan nuevos métodos de impresión: la impresión por deposición de material fundido (fused deposition modelling o FDM). La impresión por láser (selective laser sintering o SLS).

➔ Año 1990 Scott Crum, que había concebido el método de impresión FDM, establece la empresa Stratasys para la comercialización de su invento.

Proceso de impresión material fundido.

➔ Año1993

Un grupo de estudiantes del MIT concibe la impresión 3D por inyección (creando su propia empresa Z Corporation). Dos años más tarde, en 1995, inician la venta de los primeros equipos basados en esta tecnología a través de la compañía3D Systems, mayor colaborador creada en 1988 por Chuck Hull.

Proceso de impresión 3D por inyección. Proceso de impresión 3D por inyección.

➔ Año 2005 El Dr Bowyer, de la Universidad de Bath, Reino Unido, desarrolla la primera máquina 3D autorreplicante: la RepRap, que supone un salto adelante en la normalización y acceso a las impresoras tridimensionales. y es donde entra en juego la comunidad Maker. Ante los altos precios de las impresoras 3D, en 2005 el Dr. Bowyer (Universidad de Bath, UK) desarrolla la primera impresora 3D con capacidad de imprimir casi la totalidad de las piezas que la componen. Este hecho constituye la entrada del Open-source en la historia de la impresión tridimensional y un gran paso hacia su normalización en el mercado.

Máquinas de impresión 3D RepRap. Máquinas de impresión 3D RepRap.

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Makerbot constituye un hito en la impresión 3D, pues surge como proyecto Open-source que a través de una fuerte comunidad de usuarios (makers) fue tomando forma una impresora que nacía con el objetivo, no ya de poder autorreplicarse a sí misma, sino de poder ser ensamblada por cualquier persona con unas habilidades técnicas mínimas, como si de un mueble de IKEA se tratase.

Creadores de Makerbot. Máquinas de impresión Makerbot. Al mismo tiempo surgieron comunidades de intercambio de ideas y diseños para impresoras 3D, siendo una de las más importantes “Thingiverse”. A partir de 2012 Makerbot Industries dejó de formar parte de Open-source y tomó un tinte más comercial, abriendo sus propias tiendas de distribución y con la intención de ser los protagonistas del cambio industrial y social que supone esta tecnología mediante los modelos Replicator.

Plataforma Open source Thingiverse. Aplicaciones

➔ Medicina 3 innovadoras aplicaciones de la impresión 3D en la Medicina.

1.Modelos Hay casos en la Medicina que son complicados como el de tumores que se encuentran en lugares muy delicados en el cuerpo humano. La impresión 3D puede proporcionar un modelo exacto del área a operar y con esto los médicos pueden practicar con escalas reales, con mayor probabilidad de realizar con éxito las intervenciones.

Simulación de Cirugías mediante impresión 3D . Simulación de Cirugías mediante impresión 3D . Biomodelos.

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2.Prótesis Las prótesis han potencializado su evolución con la impresión 3D, sin duda. Desde muletas mucho más anatómicas por la posibilidad de las impresiones curvas y adaptadas al tamaño adecuado. Cubiertas para prótesis que permiten el diseño personalizado. Prótesis de manos con movimientos más naturales e intuitivos a través de conjuntar impresión 3D, robótica y electrónica.

Simulación de Cirugías mediante impresión 3D . Simulación de Cirugías mediante impresión 3D .

3.Órganos humanos Reservé para el final lo que parece ser el santo grial de la impresión 3D en la Medicina: la posibilidad de imprimir órganos humanos. Los avances en este sentido son muy impresionantes, por un lado en este momento los científicos y médicos especializados en esta área ya son capaces de imprimir tiras de tejido humano, pero la carrera por conseguir un órgano funcional aún está lejos. Cómo funciona En la Bioimpresión, los científicos obtienen células humanas de biopsias o de células madre, y permiten que se multipliquen en una placa de Petri. La mezcla resultante, es una especie de tinta biológica, que se introduce en una impresora 3D, que está programada para organizar diferentes tipos de células, junto con otros materiales, en una forma tridimensional precisa. Los médicos esperan que cuando se coloque en el cuerpo, estas células se integrarán con los tejidos existentes.

Organovos Bio-Printer Primer trasplante a partir de una Bioimpresión Vladimir Mironov

➔ Arquitectura Conceptos como la multi-escala,la rapidez, la complejidad geométrica y la codificación en la arquitectura avanzada, han permitido que la arquitectura incline muchos de sus proceso de pensamiento y diseño hacia la impresión 3d. Las aplicaciones pueden ser muy variadas y dirigida a diferentes sectores, desde la impresión de detalles, casas de interés social, elementos estructuras, pabellones y estructuras espaciales(lunares).

Project Egg, Michiel Van der Kley

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D-Shape, Enrico Dini FOSTER & PARTNERS - EUROPEAN SPACE AGENCY (ESA)

➔ Moda Ya algunos diseñadores han incursionado con la impresión 3D desde la alta costura, comoMichael Schmidt,Francis Bitonti o Iris Van Herpen, explorando el límite de la tecnología y la imaginación en la moda.La cantidad de proyectos envueltos en la investigación de la impresión 3D en la industria de la moda no tiene precedentes. Es una aplicación directa de la tecnología en un producto final que parece no tener límites. Con una impresora capaz de crear telas no tejidas con estructuras únicas y complejas. Su misión es que todos podamos diseñar nuestra propia ropa, de la misma forma que hoy todos podemos hacer música o publicar un libro.

EJERCICIOS DE SIMULACIÓN EJERCICIOS DE SIMULACIÓN: IMPRESIÓN 3D El ejercicio se realizará a partir del software Makerware. ¿Qué es? El Makerware es el entorno software de las impresoras 3d personales de Makerbot Industries. Es a la vez un driver y un slicer que permite directamente, en el mismo entorno tan amigable, pasar de un modelo en formato .stl a un fichero .x3g, el formato necesario para la impresión con una impresora Replicator 2 o Replicator 2X.

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Optimización y simulación del proceso de fabricación por Impresión 3D. 1. Doble extrusión a. Añadir raft y soporte Las opciones de “raft” (base adicional añadida a la impresión para que adhiere mejor a la plataforma) y de “soporte” (material adicional que soporta las paredes y elementos de la impresión que de otra manera se caería) son ahora accesibles para la doble extrusión. Basta con abrir el menú desplegable de cada elemento y elegir el extrusor correspondiente que se va a utilizar.

b. Opciones de raft y soporte Además, las opciones de ajustes de estos dos elementos son ahora mucho más precisas: se puede elegir uno de los dos extrusores para encargarse de la impresión del raft y/o del soporte, eligiendo el “left extrusor” o “rigth extrusor” para cada elemento. Más interesante aún es la opción “Color-matched”: cada extrusor se encargará de hacer el soporte correspondiendo al color que imprime. Por ejemplo, el soporte de la parte de modelo que se imprimirá en azul con el extrusor izquierdo se imprimirán también con el extrusor izquierdo. El soporte de modelo que se imprimirá en rojo con el extrusor derecho se imprimirán también con el extrusor derecho.

c. Elección del material Finalmente es incluso posible elegir un material diferente para cada extrusor. Sin embargo, esto sólo se puede hacer con el modelo Replicator dual que no está especializado en un material específico y es capaz de imprimir en PLA como en ABS. Además llamamos la atención sobre el hecho de que el PLA y el ABS no tienen las mismas características mecánicas y que puede ser difícil encontrar parámetros comunes sobre todo en cuanto a la plataforma. Es un uso experimental.

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2.Preview a. Informaciones de consumo Desde la primeras versiones del Replicator G, cada operador debía estimar el tiempo de impresión y el gasto en material. Estoy ya está solucionado gracias a la nueva opción de previsualización de la impresión. Después de elegir los diferentes parámetros para la impresión y antes de exportarlo, se tiene que seleccionar la opción “Preview before printing” situada debajo del marco de diálogo y se da en el botón “Exportar”. Una nueva ventana se abre entonces. Allí se puede saber, antes de lanzar la impresión, el tiempo que tardará y su peso. Es por lo tanto muy fácil calcular su coste en material.

b. Informaciones de impresión La previsualización procura dos otras informaciones muy valiosas. Primero, gracias a una herramientas situada en la parte izquierda de la ventana, se enseña cómo va, capa por capa, construirse el objeto. Esta simulación manual que permite recorrer las etapas de impresión del modelo, puede permitir de detectar un fallo en el modelo. Luego, al seleccionar la opción “Show travel moves”, se puede visualizar los desplazamientos que hará la impresora para depositar el material de impresión.

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Este documento fue realizado por: ROBERT GARITA GARITA

Consultas y observaciones, por favor comunicarse a :

arq.r.garita@gmail.com (506) 88356273 (506) 24301944

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