Los investigadores del MIT CSAIL desarrollaron SustainaPrint, un sistema que refuerza sólo las zonas más débiles de las impresiones 3D ecológicas, logrando resultados sólidos con menos plástico.
La impresión 3D ha avanzado mucho desde su invención en 1983 por Chuck Hull, pionero de la estereolitografía, una técnica que solidifica resina líquida en objetos sólidos mediante láseres ultravioleta. A lo largo de las décadas, las impresoras 3D han pasado de ser curiosidades experimentales a ser herramientas capaces de producir de todo, desde prótesis personalizadas hasta complejos diseños de alimentos, modelos arquitectónicos e incluso órganos humanos funcionales.
Pero a medida que la tecnología evoluciona, su impacto ambiental se vuelve cada vez más difícil de minimizar. La gran mayoría de la impresión 3D industrial y de consumo aún utiliza filamentos plásticos derivados del petróleo. Y si bien existen alternativas más ecológicas fabricadas con materiales biodegradables o reciclados, estas presentan una seria desventaja: a menudo no son tan resistentes. Estos filamentos ecológicos tienden a quebrarse bajo tensión, lo que los hace inadecuados para aplicaciones estructurales o piezas portantes, precisamente donde la resistencia es fundamental.
Este equilibrio entre sostenibilidad y rendimiento mecánico llevó a los investigadores del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL) del MIT y del Instituto Hasso Plattner a preguntarse: ¿es posible construir objetos que sean en su mayor parte ecológicos, pero aún así resistentes donde importa?
Su respuesta es SustainaPrint , un nuevo conjunto de herramientas de software y hardware diseñado para ayudar a los usuarios a combinar estratégicamente filamentos resistentes y débiles para obtener lo mejor de ambos mundos. En lugar de imprimir un objeto completo con plástico de alto rendimiento, el sistema analiza un modelo mediante simulaciones de análisis de elementos finitos, predice dónde es más probable que el objeto experimente tensión y luego refuerza solo esas zonas con material más resistente. El resto de la pieza se puede imprimir con filamento más ecológico y débil, lo que reduce el uso de plástico y preserva la integridad estructural.
“Esperamos que SustainaPrint pueda utilizarse algún día en entornos de fabricación industrial y distribuida, donde las existencias locales de materiales pueden variar en calidad y composición”, afirma Maxine Perroni-Scharf, estudiante de doctorado del MIT e investigadora del CSAIL, autora principal de un artículo que presenta el proyecto . “En estos contextos, el kit de herramientas de prueba podría ayudar a garantizar la fiabilidad de los filamentos disponibles, mientras que la estrategia de refuerzo del software podría reducir el consumo total de material sin sacrificar su funcionalidad”.
Para sus experimentos, el equipo utilizó PolyTerra PLA de Polymaker como filamento ecológico y PLA estándar o Tough PLA de Ultimaker como refuerzo. Utilizaron un umbral de refuerzo del 20 % para demostrar que incluso una pequeña cantidad de plástico resistente es muy útil. Con esta proporción, SustainaPrint logró recuperar hasta el 70 % de la resistencia de un objeto impreso íntegramente con plástico de alto rendimiento.
Imprimieron docenas de objetos, desde formas mecánicas sencillas como anillos y vigas hasta artículos domésticos más funcionales como soportes para auriculares, ganchos de pared y maceteros. Cada objeto se imprimió de tres maneras: una usando solo filamento ecológico, otra usando solo PLA resistente y otra con la configuración híbrida SustainaPrint. Las piezas impresas se sometieron a pruebas mecánicas, tirando, doblando o rompiendo de otras maneras, para medir la fuerza que soportaba cada configuración.
En muchos casos, las impresiones híbridas resistieron casi tan bien como las versiones de resistencia completa. Por ejemplo, en una prueba con forma de cúpula, la versión híbrida superó a la versión impresa completamente en PLA resistente. El equipo cree que esto puede deberse a la capacidad de la versión reforzada para distribuir la tensión de forma más uniforme, evitando la rotura por fragilidad que a veces causa la rigidez excesiva.
“Esto indica que, en ciertas geometrías y condiciones de carga, la mezcla estratégica de materiales puede, de hecho, superar el rendimiento de un solo material homogéneo”, afirma Perroni-Scharf. “Es un recordatorio de que el comportamiento mecánico en el mundo real es complejo, especialmente en la impresión 3D, donde la adhesión entre capas y las decisiones sobre la trayectoria de la herramienta pueden afectar el rendimiento de forma inesperada”.
Una máquina de impresión eficiente, ecológica y respetuosa con el medio ambiente
SustainaPrint comienza permitiendo al usuario cargar su modelo 3D en una interfaz personalizada. Al seleccionar regiones y áreas fijas donde se aplicarán fuerzas, el software utiliza un enfoque llamado «Análisis de Elementos Finitos» para simular cómo se deformará el objeto bajo tensión. A continuación, crea un mapa que muestra la distribución de la presión dentro de la estructura, destacando las áreas bajo compresión o tensión, y aplica heurísticas para segmentar el objeto en dos categorías: los que necesitan refuerzo y los que no.
Reconociendo la necesidad de pruebas accesibles y económicas, el equipo también desarrolló un kit de herramientas de prueba DIY para ayudar a los usuarios a evaluar la resistencia antes de imprimir. El kit incluye un dispositivo imprimible en 3D con módulos para medir la resistencia a la tracción y a la flexión. Los usuarios pueden combinar el dispositivo con elementos comunes como barras de dominadas o básculas digitales para obtener métricas de rendimiento aproximadas pero fiables. El equipo comparó sus resultados con los datos del fabricante y descubrió que sus mediciones se mantuvieron consistentemente dentro de una desviación estándar, incluso para filamentos que habían pasado por múltiples ciclos de reciclaje.
Aunque el sistema actual está diseñado para impresoras de doble extrusión, los investigadores creen que, con el intercambio y la calibración manual de filamentos, también podría adaptarse a configuraciones de un solo extrusor. En su forma actual, el sistema simplifica el proceso de modelado al permitir una sola fuerza y un límite fijo por simulación. Si bien esto abarca una amplia gama de casos de uso comunes, el equipo prevé que en el futuro se amplíe el software para que admita condiciones de carga más complejas y dinámicas. El equipo también ve potencial en el uso de IA para inferir el uso previsto del objeto a partir de su geometría, lo que podría permitir un modelado de tensiones totalmente automatizado sin necesidad de introducir manualmente fuerzas ni límites.
3D gratis
Los investigadores planean lanzar SustainaPrint en código abierto, poniendo tanto el software como el kit de herramientas de prueba a disposición del público para su uso y modificación. Otra iniciativa que aspiran a materializar en el futuro es la educación. «En el aula, SustainaPrint no es solo una herramienta, sino una forma de enseñar a los estudiantes sobre ciencia de los materiales, ingeniería estructural y diseño sostenible, todo en un mismo proyecto», afirma Perroni-Scharf. «Convierte estos conceptos abstractos en algo tangible».
A medida que la impresión 3D se integra cada vez más en la fabricación y creación de prototipos de todo tipo de productos, desde bienes de consumo hasta equipos de emergencia, la preocupación por la sostenibilidad no hará más que aumentar. Con herramientas como SustainaPrint, estas preocupaciones ya no tienen por qué ir en detrimento del rendimiento. En cambio, pueden formar parte del proceso de diseño: integradas en la geometría misma de lo que fabricamos.
El coautor Patrick Baudisch, profesor del Instituto Hasso Plattner, añade: «El proyecto aborda una pregunta clave: ¿Qué sentido tiene recolectar material para reciclarlo si no existe un plan para utilizarlo realmente? Maxine presenta el eslabón perdido entre la idea teórica/abstracta del reciclaje de materiales de impresión 3D y lo que realmente se necesita para que esta idea sea relevante».
Perroni-Scharf y Baudisch escribieron el artículo junto con la asistente de investigación de CSAIL, Jennifer Xiao; el estudiante de maestría del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT, Cole Paulin ’24; el estudiante de maestría Ray Wang SM ’25 y la estudiante de doctorado Ticha Sethapakdi SM ’19 (ambos miembros de CSAIL); el estudiante de doctorado del Instituto Hasso Plattner, Muhammad Abdullah; y la profesora asociada Stefanie Mueller, líder del Grupo de Ingeniería de Interacción Humano-Computadora en CSAIL.
El trabajo de los investigadores recibió una subvención de Diseño para la Sostenibilidad del Programa de Investigación MIT-HPI. Su trabajo se presentará en el Simposio de la ACM sobre Software y Tecnología de Interfaz de Usuario en septiembre.
MIT News. R. G. Traducido al español
