3D I Quarta revolució industrial

Article a revista de divulgació (DIV). F. La Revista del Foment (ISSN 2385-5614) 2142. Un nou segle per a l’Àfrica. Hivern 2014. pg 48-57 Què podrà fer la tecnologia en el futur? On són els límits de la tècnica 3D? L’evolució de models és contínua i les variants comencen a ser infinites per convertir el consumidor en productor propi gràcies a un mitjà de producció de baix costEl gir copernicà que representa la tecnologia 3D ha obert les portes a una mutació fascinant de la realitat. Ara mateix, en un país competitiu la vitalitat de la impressió 3D és directament proporcional al volum i la rellevància de les empreses que innoven. Com a nova tecnologia de fabricació, a impressió 3D fa temps que és coneguda en el món industrial, cada vegada més conscient de l’evolució i el potencial que té.Postprint (published version

Contribució a l'estudi de la impressió 3D per a la fabricació de models per facilitar l'assaig d'operacions quirúrgiques de tumors

La present tesi doctoral s’ha centrat en el repte d’aconseguir, mitjançant Fabricació Additiva (FA), models per a assaig quirúrgic, sota la premissa que els equips per fer-los haurien de ser accessibles a l’àmbit hospitalari. L’objectiu és facilitar l’extensió de l’ús dels prototips com a eina de preparació d’operacions quirúrgiques, transformant la pràctica mèdica actual de la mateixa manera que en el seu moment ho van fer tecnologies com les que van facilitar l’ús de radiografies. El motiu d’utilitzar FA, en lloc de tecnologies més tradicionals, és la seva capacitat de materialitzar de forma directa les dades digitals obtingudes de l’anatomia del pacient mitjançant sistemes d’escanejat tridimensional, fent possible l’obtenció de models personalitzats. Els resultats es centren en la generació de nou coneixement sobre com aconseguir equipaments d’impressió 3D multimaterials accessibles que permetin l’obtenció de models mimètics respecte als teixits vius. Per facilitar aquesta buscada extensió de la tecnologia, s’ha focalitzat en les tecnologies de codi obert com la Fabricació per Filament Fos (FFF) i similars basades en líquids catalitzables. La recerca s’alinea dins l’activitat de desenvolupament de la FA al CIM UPC, i en aquest àmbit concret amb la col·laboració amb l’Hospital Sant Joan de Déu de Barcelona (HSJD). El primer bloc de la tesi inclou la descripció de l’estat de l’art, detallant les tecnologies existents i la seva aplicació a l’entorn mèdic. S’han establert per primer cop unes bases de caracterització dels teixits vius -sobretot tous- per donar suport a la selecció de materials que els puguin mimetitzar en un procés de FA, a efectes de millorar l’experiència d’assaig dels cirurgians. El caràcter rígid dels materials majoritàriament usats en impressió 3D els fa poc útils per simular tumors i altres referències anatòmiques. De forma successiva, es tracten paràmetres com la densitat, la viscoelasticitat, la caracterització dels materials tous a la indústria, l’estudi del mòdul elàstic de teixits tous i vasos, la duresa d’aquests, i requeriments com l’esterilització dels models. El segon bloc comença explorant la impressió 3D mitjançant FFF. Es classifiquen les variants del procés des del punt de vista de la multimaterialitat, essencial per fer models d’assaig quirúrgic, diferenciant entre solucions multibroquet i de barreja al capçal. S’ha inclòs l’estudi de materials (filaments i líquids) que serien més útils per mimetitzar teixits tous. Es constata com en els líquids, en comparació amb els filaments, la complexitat del treball en processos de FA és més elevada, i es determinen formes d’imprimir materials molt tous. Per acabar, s’exposen sis casos reals de col·laboració amb l’HJSD, una selecció d’aquells en els que el doctorand ha intervingut en els darrers anys. L’origen es troba en la dificultat de l’abordatge d’operacions de resecció de tumors infantils com el neuroblastoma, i a la iniciativa del Dr. Lucas Krauel. Finalment, el Bloc 3 té per objecte explorar nombrosos conceptes (fins a 8), activitat completada al llarg dels darrers cinc anys amb el suport dels mitjans del CIM UPC i de l’activitat associada a treballs finals d’estudis d’estudiants de la UPC, arribant-se a materialitzar equipaments experimentals per validar-los. La recerca ampla i sistemàtica al respecte fa que s’estigui més a prop de disposar d’una solució d’impressió 3D multimaterial de sobretaula. Es determina que la millor via de progrés és la de disposar d’una pluralitat de capçals independents a fi de capacitar la impressora 3D per integrar diversos conceptes estudiats, materialitzant-se una possible solució. Cloent la tesi, es planteja com seria un equipament d’impressió 3D per a models d’assaig quirúrgic, a fi de servir de base per a futurs desenvolupaments.La presente tesis doctoral se ha centrado en el reto de conseguir, mediante Fabricación Aditiva (FA), modelos para ensayo quirúrgico, bajo la premisa que los equipos para obtenerlos tendrían que ser accesibles al ámbito hospitalario. El objetivo es facilitar la extensión del uso de modelos como herramienta de preparación de operaciones quirúrgicas, transformando la práctica médica actual de la misma manera que, en su momento, lo hicieron tecnologías como las que facilitaron el uso de radiografías. El motivo de utilizar FA, en lugar de tecnologías más tradicionales, es su capacidad de materializar de forma directa los datos digitales obtenidos de la anatomía del paciente mediante sistemas de escaneado tridimensional, haciendo posible la obtención de modelos personalizados. Los resultados se centran en la generación de nuevo conocimiento para conseguir equipamientos de impresión 3D multimateriales accesibles que permitan la obtención de modelos miméticos respecto a los tejidos vivos. Para facilitar la buscada extensión de la tecnología, se ha focalizado en las tecnologías de código abierto como la Fabricación por Hilo Fundido (FFF) y similares basadas en líquidos catalizables. Esta investigación se alinea dentro de la actividad de desarrollo de la FA en el CIM UPC, y en este ámbito concreto con la colaboración con el Hospital Sant Joan de Déu de Barcelona (HSJD). El primer bloque de la tesis incluye la descripción del estado del arte, detallando las tecnologías existentes y su aplicación al entorno médico. Se han establecido por primera vez unas bases de caracterización de los tejidos vivos – principalmente blandos – para dar apoyo a la selección de materiales que los puedan mimetizar en un proceso de FA, a efectos de mejorar la experiencia de ensayo de los cirujanos. El carácter rígido de los materiales mayoritariamente usados en impresión 3D los hace poco útiles para simular tumores y otras referencias anatómicas. De forma sucesiva, se tratan parámetros como la densidad, la viscoelasticidad, la caracterización de materiales blandos en la industria, el estudio del módulo elástico de tejidos blandos y vasos, la dureza de los mismos, y requerimientos como la esterilización de los modelos. El segundo bloque empieza explorando la impresión 3D mediante FFF. Se clasifican las variantes del proceso desde el punto de vista de la multimaterialidad, esencial para hacer modelos de ensayo quirúrgico, diferenciando entre soluciones multiboquilla y de mezcla en el cabezal. Se ha incluido el estudio de materiales (filamentos y líquidos) que serían más útiles para mimetizar tejidos blandos. Se constata como en los líquidos, en comparación con los filamentos, la complejidad del trabajo en procesos de FA es más elevada, y se determinan formas de imprimir materiales muy blandos. Para acabar, se exponen seis casos reales de colaboración con el HJSD, una selección de aquellos en los que el doctorando ha intervenido en los últimos años. El origen se encuentra en la dificultad del abordaje de operaciones de resección de tumores infantiles como el neuroblastoma, y en la iniciativa del Dr. Lucas Krauel. Finalmente, el Bloque 3 desarrolla numerosos conceptos (hasta 8), actividad completada a lo largo de los últimos cinco años con el apoyo de los medios del CIM UPC y de la actividad asociada a trabajos finales de estudios de estudiantes de la UPC, llegándose a materializar equipamientos experimentales para validarlos. La investigación amplia y sistemática al respecto hace que se esté más cerca de disponer de una solución de impresión 3D multimaterial de sobremesa. Se determina que la mejor vía de progreso es la de disponer de una pluralidad de cabezales independientes, a fin de capacitar la impresora 3D para integrar diversos conceptos estudiados, materializándose una posible solución. Para cerrar la tesis, se plantea cómo sería un equipamiento de impresión 3D para modelos de ensayo quirúrgico, a fin de servir de base para futuros desarrollos.Postprint (published version

La fabricación aditiva o impresión 3D: el momento de la disrupción en nuestras empresas

La aplicación de la fabricación aditiva como herramienta de fabricación, superando el estadio de herramienta para el prototipado, está en camino de ser una realidad.Postprint (published version

Development of AM technologies for metals in the sector of medical implants

Additive manufacturing (AM) processes have undergone significant progress in recent years, having been implemented in sectors as diverse as automotive, aerospace, electrical component manufacturing, etc. In the medical sector, different devices are printed, such as implants, surgical guides, scaffolds, tissue engineering, etc. Although nowadays some implants are made of plastics or ceramics, metals have been traditionally employed in their manufacture. However, metallic implants obtained by traditional methods such as machining have the drawbacks that they are manufactured in standard sizes, and that it is difficult to obtain porous structures that favor fixation of the prostheses by means of osseointegration. The present paper presents an overview of the use of AM technologies to manufacture metallic implants. First, the different technologies used for metals are presented, focusing on the main advantages and drawbacks of each one of them. Considered technologies are binder jetting (BJ), selective laser melting (SLM), electron beam melting (EBM), direct energy deposition (DED), and material extrusion by fused filament fabrication (FFF) with metal filled polymers. Then, different metals used in the medical sector are listed, and their properties are summarized, with the focus on Ti and CoCr alloys. They are divided into two groups, namely ferrous and non-ferrous alloys. Finally, the state-of-art about the manufacture of metallic implants with AM technologies is summarized. The present paper will help to explain the latest progress in the application of AM processes to the manufacture of implantsPostprint (published version

3D printing in medicine for preoperative surgical planning: a review

The aim of this paper is to review the recent evolution of additive manufacturing (AM) within the medical field of preoperative surgical planning. The discussion begins with an overview of the different techniques, pointing out their advantages and disadvantages as well as an in-depth comparison of different characteristics of the printed parts. Then, the state-of-the-art with respect to preoperative surgical planning is presented. On the one hand, different surgical planning prototypes manufactured by several AM technologies are described. On the other hand, materials used for mimicking different living tissues are explored by focusing on the material properties: elastic modulus, hardness, etc. As a result, doctors can practice before performing surgery and thereby reduce the time needed for the operation. The subject of patient education is also introduced. A thorough review of the process that is required to obtain 3D printed surgical planning prototypes, which is based on different stages, is then carried out. Finally, the ethical issues associated with 3D printing in medicine are discussed, along with its future perspectives. Overall, this is important for improving the outcome of the surgery, since doctors will be able to visualize the affected organs and even to practice surgery before performing it.Postprint (author's final draft

Sistema accesible, interoperable y ubicuo para el acceso a las nuevas tecnologías por parte de las personas con necesidades especiales

The possibility to access communication and information is indispensable to achieve equality of opportunities and full citizenship participation. However, people with some sort of handicap find themselves with environments, services and products inaccessible for them and making their daily life more difficult. Communication barriers are those obstacles that prevent these people to access information. Advance in information technologies and communications, diminishing in hardware costs and information transmission rates allows us today to develop tools that give people with special needs access to new technologies. CIM Fundation has been collaborating in the development of an accessible and ubiquitous platform for people with special needs as part of his participation in the INREDIS project within the CENIT Program. The objective of this project is the development of a system that offers a multiplatform, adaptive and natural interface that responds with intelligence to the user’s needs. The platform has been developed with a Software Oriented Architecture (SOA) and within Software as a Service model (SaaS).Peer ReviewedPostprint (published version

Fabrikazio gehigarria ezinbesteko teknologia osasunean eta industrian: Euskadi eta Katalunia

Azken urteetan, fabrikazio gehigarria (FG) oso azkar garatu da hainbat sektoretan: osasuna, automobilgintza, aeronautika, etab. Aipatutako lehen sektorean, aplikazio anitzetan erabili da: prototipo eta gida kirurgikoak, scaffoldsak, inplanteak. Hobekuntza horiek gaixotasun berriei hobeto aurre egitea ahalbidetuko dute. Industriari dagokionez, fabrikazio gehigarriak aukera ematen die Industria-enpresei produktuak prozesu berri ordezko batzuen bidez fabrikatzeko (produktu eta tresna arinagoak, pertsonalizatuak, etab.), hala nola automobilgintzan edo aeronautikan. Gainera, lehen pieza horien fabrikazio-prozesuaren denbora murrizten da. Artikulu honetan, bi eskualdek (Euskal Autonomia Erkidegoa eta Katalunia), medikuntza eta industria arloetan, fabrikazio gehigarriari lotutako aktibitatea berrikusi egingo da. Osasun-aplikazioei dagokienez, bai Euskadin, bai Katalunian, FGak eragin ekonomiko bera dauka bietan; industriari dagokionez, ordea, Euskadiko ekonomian eragin handiagoa dauka Kataluniarekin alderatuta.; During the last years, Additive Manufacturing (AM) has rapidly developed in several sectors: health, automotive, aeronautics, etc. In the first sector mentioned, it has been applied in different applications: manufacturing surgical planning prototypes and guides, the use of scaffolds 3D printed, implants, etc. These improvements in the medical field will allow to have more tools to deal with new diseases, and consequently, the life expectancy will be higher. Regarding the industry, 3D printing allows the industrial companies to manufacture better products (lightweight, personalised, etc) in automation or aeronautics, for example. Additionally, there is a decrease in the process time. In present study, two different regions have been reviewed (Basque Country and Catalonia) in the medical and industrial sectors. It has been seen that in both areas AM applied to health applications has more or less the same impact in their systems. However, in terms of the industry, the Basque industry has bigger impact in the economy of the Basque Country

Fabrikazio gehigarria ezinbesteko teknologia osasunean eta industrian: Euskadi eta Katalunia

Azken urteetan, fabrikazio gehigarria (FG) oso azkar garatu da hainbat sektoretan: osasuna, automobilgintza, aeronautika, etab. Aipatutako lehen sektorean, aplikazio anitzetan erabili da: prototipo eta gida kirurgikoak, scaffoldsak, inplanteak. Hobekuntza horiek gaixotasun berriei hobeto aurre egitea ahalbidetuko dute. Industriari dagokionez, fabrikazio gehigarriak aukera ematen die Industria-enpresei produktuak prozesu berri ordezko batzuen bidez fabrikatzeko (produktu eta tresna arinagoak, pertsonalizatuak, etab.), hala nola automobilgintzan edo aeronautikan. Gainera, lehen pieza horien fabrikazio-prozesuaren denbora murrizten da. Artikulu honetan, bi eskualdek (Euskal Autonomia Erkidegoa eta Katalunia), medikuntza eta industria arloetan, fabrikazio gehigarriari lotutako aktibitatea berrikusi egingo da. Osasun-aplikazioei dagokienez, bai Euskadin, bai Katalunian, FGak eragin ekonomiko bera dauka bietan; industriari dagokionez, ordea, Euskadiko ekonomian eragin handiagoa dauka Kataluniarekin alderatuta.; During the last years, Additive Manufacturing (AM) has rapidly developed in several sectors: health, automotive, aeronautics, etc. In the first sector mentioned, it has been applied in different applications: manufacturing surgical planning prototypes and guides, the use of scaffolds 3D printed, implants, etc. These improvements in the medical field will allow to have more tools to deal with new diseases, and consequently, the life expectancy will be higher. Regarding the industry, 3D printing allows the industrial companies to manufacture better products (lightweight, personalised, etc) in automation or aeronautics, for example. Additionally, there is a decrease in the process time. In present study, two different regions have been reviewed (Basque Country and Catalonia) in the medical and industrial sectors. It has been seen that in both areas AM applied to health applications has more or less the same impact in their systems. However, in terms of the industry, the Basque industry has bigger impact in the economy of the Basque Country

Fabrikazio gehigarria ezinbesteko teknologia osasunean eta industrian: Euskadi eta Katalunia

Azken urteetan, fabrikazio gehigarria (FG) oso azkar garatu da hainbat sektoretan: osasuna, automobilgintza, aeronautika, etab. Aipatutako lehen sektorean, aplikazio anitzetan erabili da: prototipo eta gida kirurgikoak, scaffoldsak, inplanteak. Hobekuntza horiek gaixotasun berriei ho-beto aurre egitea ahalbidetuko dute. Industriari dagokionez, fabrikazio gehigarriak aukera ematen die industria-enpresei produktuak prozesu berri ordezko batzuen bidez fabrikatzeko (produktu eta tresna arinagoak, pertsonalizatuak, etab.), hala nola automobilgintzan edo aeronautikan. Gainera, lehen pieza horien fabrikazio-prozesuaren denbora murrizten da. Artikulu honetan, bi eskualdek (Euskal Autono-mia Erkidegoa eta Katalunia), medikuntza eta industria arloetan, fabrikazio gehigarriari lotutako akti-bitatea berrikusi egingo da. Osasun-aplikazioei dagokienez, bai Euskadin, bai Katalunian, FGak eragin ekonomiko bera dauka bietan; industriari dagokionez, ordea, Euskadiko ekonomian eragin handiagoa dauka Kataluniarekin alderatutaPeer ReviewedPostprint (published version

Characterization of 3d printed yttria-stabilized zirconia parts for use in prostheses

The main aim of the present paper is to study and analyze surface roughness, shrinkage, porosity, and mechanical strength of dense yttria-stabilized zirconia (YSZ) samples obtained by means of the extrusion printing technique. In the experiments, both print speed and layer height were varied, according to a 22 factorial design. Cuboid samples were defined, and three replicates were obtained for each experiment. After sintering, the shrinkage percentage was calculated in width and in height. Areal surface roughness, Sa, was measured on the lateral walls of the cuboids, and total porosity was determined by means of weight measurement. The compressive strength of the samples was determined. The lowest Sa value of 9.4 m was obtained with low layer height and high print speed. Shrinkage percentage values ranged between 19% and 28%, and porosity values between 12% and 24%, depending on the printing conditions. Lowest porosity values correspond to low layer height and low print speed. The same conditions allow obtaining the highest average compressive strength value of 176 MPa, although high variability was observed. For this reason, further research will be carried out about mechanical strength of ceramic 3D printed samples. The results of this work will help choose appropriate printing conditions extrusion processes for ceramics.Peer ReviewedPostprint (published version