IMPRESIÓN 3D PARA LA DIDÁCTICA DE LAS CIENCIAS …

IMPRESIÓN 3D PARA LA DIDÁCTICA DE LAS CIENCIAS

NATURALES EN ESCUELAS Y PARA EL PATRIMONIO

DEL MUSEO UNIVERSITARIO-UDEA: ETAPA 1

Autor

David Eduardo Mendoza Roldán

Universidad de Antioquia

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Medellín, Colombia

2020

IMPRESIÓN 3D PARA LA DIDÁCTICA DE LAS CIENCIAS NATURALES EN ESCUELAS

Y PARA EL PATRIMONIO DEL MUSEO UNIVERSITARIO-UDEA: ETAPA 1

David Eduardo Mendoza Roldán

Trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de:

Ingeniero Mecánico

Asesor:

Prof. Henry Alonso Colorado Lopera, PhD

Línea de Investigación:

Manufactura aditiva, Materiales de Ingeniería, Educación

Grupo de Investigación:

Cementos, Cerámicos y Compuestos

Universidad de Antioquia

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Medellín, Colombia

2020

Impresión 3D para la didáctica de las ciencias naturales en escuelas y para el patrimonio del Museo

Universitario-UdeA: etapa 1

1

Tabla de contenido

TÍTULO. Impresión 3D para la didáctica de las ciencias naturales en escuelas y para el patrimonio del

Museo Universitario-UdeA: etapa 1 ............................................................................................................. 3

1. Introducción .......................................................................................................................................... 3

2. Objetivos ............................................................................................................................................... 4

2.1 Objetivo general .............................................................................................................................. 4

2.2 Objetivos específicos ...................................................................................................................... 4

3. Marco Teórico ....................................................................................................................................... 4

3.1 Estado del arte ................................................................................................................................. 5

4. Metodología .......................................................................................................................................... 6

4.1 Revisión bibliográfica. .................................................................................................................... 6

4.2 Diseño a partir de características fundamentales. ........................................................................... 7

4.3 Fabricación de las piezas................................................................................................................. 8

4.4 Validación de las piezas. ............................................................................................................... 10

4.5 Evaluación de la propuesta de impresión ...................................................................................... 10

4.6 Estimación de costos ..................................................................................................................... 14

5. Resultados y análisis ........................................................................................................................... 15

5.1 Validación de modelos .................................................................................................................. 15

5.2 Modelos impresos ......................................................................................................................... 16

5.3 Encuestas ....................................................................................................................................... 18

6. Discusión............................................................................................................................................. 21

6.1 Dificultades ................................................................................................................................... 21

6.2 Impacto en Colombia .................................................................................................................... 21

6.3 Recomendaciones.......................................................................................................................... 21

6.4 Costos de producción .................................................................................................................... 22

7. Conclusiones ....................................................................................................................................... 23

8. Referencias .......................................................................................................................................... 23

9. Anexos ................................................................................................................................................ 26

9.1 Encuestas ....................................................................................................................................... 26

9.2 Cartillas ......................................................................................................................................... 28



2

Lista de tablas

Tabla 1. Propiedades típicas de los materiales usados. ................................................................................. 6

Tabla 2. Parámetros principales para slicing ................................................................................................ 9

Tabla 3. Costos de producción para PLA y TPU en pesos (COP). ............................................................. 22

Tabla de Figuras

Figura 1. Modelo CAD de los animales [28]–[30]. ...................................................................................... 7

Figura 2. Modelo de hormiga obtenido con escaneo 3D .............................................................................. 8

Figura 3. Anet A8, CCComposites. .............................................................................................................. 8

Figura 4. Previsualización de CURA: a) Abeja angelita. b) Hormiga. c) Oso de agua d) Zancudo del Dengue

...................................................................................................................................................................... 9

Figura 5. Estructura interna (giroide) de los modelos. ................................................................................ 10

Figura 6. Esculturas de museo [34]–[37]. ................................................................................................... 11

Figura 7. Cartillas de los animales. ............................................................................................................. 12

Figura 8. Capturas del video presentado durante la actividad. ................................................................... 13

Figura 9. Actividad de evaluación de la propuesta ..................................................................................... 13

Figura 10. Hoja de cálculo para costos con PLA para abeja angelita ......................................................... 14

Figura 11. Imágenes SEM: a) Cabeza de abeja. b) Antena de abeja. c) Cuerpo de hormiga. d) Pata de

hormiga. ...................................................................................................................................................... 15

Figura 12. Validación del modelo impreso y escaneado 3D. ...................................................................... 16

Figura 13. Piezas obtenidas en PLA: a) Abeja angelita. b) Zancudo del Dengue c) Hormiga. d) Oso de agua.

.................................................................................................................................................................... 17

Figura 14. Piezas obtenidas en TPU: a) Abeja angelita. b) Zancudo del Dengue c) Hormiga. d) Oso de agua.

.................................................................................................................................................................... 17

Figura 15. Resultados de la encuesta de la actividad. ................................................................................. 18

Figura 16. Resultados de la encuesta por grupo de edad. ........................................................................... 19

Figura 17. Resultados de la encuesta de materiales. ................................................................................... 20



3

TÍTULO. Impresión 3D para la didáctica de las ciencias naturales en

escuelas y para el patrimonio del Museo Universitario-UdeA: etapa 1

Resumen

Este trabajo se centró en la producción de modelos de animales a través de la impresión 3D con el método

FDM (Fused Deposition Modeling) utilizando 2 materiales (PLA, TPU) para el Museo de la Universidad

de Antioquia. El proceso de escaneo 3D también se usó para obtener el diseño digital de una pieza existente

en el museo y luego se imprimió para usarse y evitar daños al original. Los modelos reales se analizaron en

el SEM para validar el modelo impreso en 3D. Los costos de producción se estimaron y compararon para

cada modelo y material. Se encontró una aceptación importante por parte del público del museo a través de

encuestas que evaluaron el impacto del uso de la impresión 3D en educación y cultura con actividades

específicas. Estos resultados permitieron concluir que esta metodología es adecuada y sostenible para

mejorar la experiencia de los usuarios en los museos, preservar el patrimonio cultural, mejorar el

aprendizaje y la enseñanza de las ciencias naturales.

Palabras clave: manufactura aditiva, material de educación, museo, escuelas.

1. Introducción

La manufactura aditiva, también conocida como impresión 3D, está cambiando las oportunidades

educativas para todo tipo de nuevas técnicas de enseñanza en el mundo de la educación [1], incluyendo

todo tipo de carreras y asignaturas, como en ingeniería donde la enseñanza de fenómenos físicos es difícil,

la impresión 3D puede usarse para enseñar análisis estructurales, mecanismos y otros sistemas que no son

posibles de manejar en el aula fácilmente. Debido a que el proceso es muy versátil, los parámetros se pueden

variar para confirmar las simplificaciones que se suponen día a día en el mundo de la ingeniería [2]–[4]. En

muchas ocasiones, se encuentran dificultades para integrar el énfasis educativo de las matemáticas y la

ingeniería, al usar la impresión 3D como soporte, este tipo de integración se puede lograr para potenciar las

relaciones entre áreas que tienen cosas en común, su colaboración puede mejorar [5] .

El impacto de la impresión 3D es notorio en la enseñanza de la biología y la anatomía donde el uso de

cadáveres y el método de disección es ineficiente y en algunos casos se considera poco ético [6].

Hay áreas que inicialmente no se tienen en cuenta y pueden beneficiarse en mayor medida con el uso de

herramientas como el escaneo y la impresión en 3D, estas son la de los museos, la cultura y la preservación

del patrimonio cultural [7]. En trabajos específicos, ha sido posible preservar y mejorar todo tipo de piezas,

como una escultura que tiene 2 leones, uno de ellos en buen estado y el otro en fragmentos. Las piezas se

escanean para generar el archivo digital y luego se imprimen para mostrar cómo se vería la escultura sin

sufrir daños. Se centra en escanear y luego repararlo desde un modelo CAD antes de imprimirlo para obtener

una aproximación del estado inicial de este tipo de lugar [8].

En términos de costos de producción, la fabricación aditiva ha estado a la vista de economistas que

consideran que podría ser parte de una revolución industrial, por lo que los investigadores están

demostrando que la impresión 3D es factible en muchos casos tanto para la producción en lotes pequeños

como en masa. Todo esto ha llamado la atención del proceso y sus parámetros, donde los problemas de

costos siempre comparan el problema del consumo de electricidad y todos los parámetros que afectan el

precio final durante el proceso [9]–[13].



4

Anteriormente el museo obtenía modelos representativos para exhibición por medio de procesos artísticos

que son costosos y toman mucho tiempo, se realizó el proceso de fabricación de estos modelos por medio

de impresión 3D usando el método de FDM. La complejidad de las piezas está limitada principalmente a la

tecnología de la máquina usada, la naturaleza de los modelos y los materiales disponibles, por esto, los

modelos se clasifican como representativos puesto que cuentan con las características básicas, pero no

pueden mostrar detalles específicos. Se realizó el diseño CAD de los modelos para luego ser preparados

por un software de slicing y ser convertidos a un G-code que será llevado a cabo por la impresora 3D

Los modelos se evaluaron en exhibiciones reales y encuestas al público donde los resultados fueron

favorables, esto permitió verificar que el uso de la impresión 3D en este campo asegura elevar el nivel de

presentaciones en el museo y permite realizar actividades de enseñanza de manera más eficaz.

2. Objetivos

2.1 Objetivo general

Elaborar material didáctico mediante impresión 3D como apoyo a procesos educativos relacionados con las

ciencias, el patrimonio y la cultura.

2.2 Objetivos específicos

● Desarrollar el diseño y la manufactura por impresión 3D de 4 piezas seleccionadas del museo

universitario.

● Desarrollar el diseño y la manufactura por impresión 3D de 4 elementos pensados para enseñanza

didáctica.

● Comparar el uso de impresión 3D para la obtención de piezas de museo con métodos manuales.

3. Marco Teórico

Impresión 3D

Es el proceso de crear un objeto sólido tridimensional a partir de la adición de varias capas delgadas de

material (principalmente plástico) desde un modelo digital generado desde un software CAD (diseño

asistido por computadora) o escaneo. Este proceso también es conocido como manufactura aditiva [14].

La impresión 3D tiene un amplio campo de aplicación donde principalmente se realizan prototipos, piezas

funcionales, juguetes, entre otros [15]; el alcance de la impresión también depende el material que se use,

un ejemplo claro es el de la medicina donde se debe trabajar con un material compatible con el cuerpo

humano (biomateriales) [16].

Existen varias tecnologías para impresión 3D como FDM (Modelado por deposición fundida), SLA

(Estereolitografía) y SLS (Sinterizado selectivo por láser); el método más usado es el FDM, especialmente

en casos de aplicación para la educación donde se busca simplificar el proceso y el presupuesto

generalmente es bajo [17].

Escáner 3D

Un escáner 3D es un dispositivo que recopila datos físicos de un objeto o entorno para crear un modelo

digital. Estos datos pueden incluir volumen, textura y color [18].



5

Modelado por deposición fundida (FDM)

Se basa en calentar y extruir un filamento que se encuentra en un rollo o carrete a través de una boquilla

para agregar capa por capa el material generando una geometría, se solidifique al enfriarse y mantenga la

forma. Generalmente se usa plástico (termoplástico) pero también existen impresoras que permiten trabajar

con metales, cerámicos y combinaciones de estos [14].

Termoplástico

Posee la característica de ablandarse con el calor y aumentar su fluidez; al reducir su temperatura

nuevamente toma lugar el proceso de curado que es totalmente reversible dado que durante el proceso no

hay reacciones químicas en los enlaces de las moléculas. Estas características permiten que pueda ser

moldeado varias veces sin afectar sus propiedades físicas [19].

PLA (ácido poliláctico): polímero compuesto de pequeñas unidades de ácido láctico, el material más

común utilizado en FDM, fácil de imprimir, barato, biodegradable [20].

TPU (poliuretano termoplástico): es una forma muy común de polímero elástico, o elastómero, capaz de

resistir fuerzas de compresión y tensión mucho más altas [21].

Microscopio electrónico de barrido (SEM)

Utiliza un haz de electrones finamente enfocado para revelar las características detalladas de la superficie

de una muestra y proporcionar información relacionada con su estructura tridimensional [22].

3.1 Estado del arte

El sector de educación y patrimonio cultural han sido parte de varios casos de investigación a nivel mundial

que pueden ser tenidos en cuenta en el trabajo presente. Se muestran los artículos y su tratado.

The Production of Anatomical Teaching Resources Using Three-Dimensional (3D) Printing

Technology

Se estudia el impacto de la impresión 3D en la enseñanza de anatomía donde el uso de cadáveres y el

método de disección es ineficiente y en algunos casos se considera poco ético. Las piezas para imprimir se

obtienen por medio de escaneo y se establece la importancia de la calidad tanto de escaneo como de

impresión según los resultados esperados. Además, se plantea de conclusión que el uso de nuevos materiales

revolucionará la educación con impresión 3D [6].

Competencia digital con el manejo de modelos 3D, el modelado 3D.

La importancia del uso de ayudas digitales y tangibles se evalúa en varias áreas de la educación realizando

principalmente un catálogo de esculturas donde estudiantes califican los resultados, obteniendo preferencia

los objetos tangibles que en este caso se obtienen por impresión 3D [23].

The recreation of a Temple Lion for the Harvard’s Semitic Museum.

La escultura tiene 2 leones, uno de ellos en buen estado y el otro en fragmentos. Se escanean las piezas para

generar el archivo digital y luego ser impresas y así mostrar cómo se vería la escultura sin sufrir daños. Se

usa tanto impresión 3D como CNC [24].



6

Formalized approach tailored specifically to the restoration of historic artifacts: from the Forbidden

City in Beijing

Se centra en el escaneo 3D del recinto y luego se repara a partir de un modelo CAD antes de ser impreso

para así obtener la aproximación del estado inicial de este tipo de lugares [24].

Desktop Laboratories: Web Share and Additive Manufacture of Engineering Educational Models.

Aplicación específica de la enseñanza con impresión 3D a ingeniería para representar principios de

funcionamiento de elementos de máquinas que usualmente es costoso, peligroso y tiene limitaciones de

acceso a ciertas zonas o requiere personal calificado [3].

Creación de réplicas de patrimonio escultórico mediante reconstrucción 3D e impresoras 3D

Reconstrucción de esculturas a partir de escaneo por fotografía para ser impresas en 3D que reduce los

costos usuales de producción y permite archivar los modelos 3D en una base de datos para que pueda ser

accedida por docentes y estudiantes [25].

Blokify: Juego de modelado e impresión 3D en tableta digital para el aprendizaje de vistas

normalizadas y perspectiva

Creación de software para modelado simplificado por bloques y obtención de piezas a partir de vistas para

ser validados por medio de la impresión 3D y comparados con el isométrico [26].

Caso práctico del patrimonio fósil marino de Canarias

Comparación entre la obtención de modelos por medio de moldes y por impresión 3D a partir de escaneo

para generar réplicas. Los modelos digitales y tangibles son evaluados por un grupo de estudiantes

universitarios dado que se busca generar un impacto positivo en el entorno educativo [27].

4. Metodología

4.1 Revisión bibliográfica.

Se estudió el proceso de impresión 3D haciendo énfasis en el método de FDM y su aplicación a la educación

y cultura, haciendo una revisión de publicaciones tipo paper y review de las tecnologías actuales. Además,

se buscaron diseños de los animales en cuestión que pudieran ser usados como base del proceso para luego

ser modificados. Los diseños existentes corresponden al Oso de agua [28], Hormiga[29] y Zancudo[30].

Al tratarse de una comparación entre modelos existentes y los obtenidos a partir de impresión 3D, se

consultaron las propiedades de los materiales usados que se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Propiedades típicas de los materiales usados.

Material Proceso de

fabricación

Módulo elástico

(GPa)

Resistencia a la

tracción (MPa)

Densidad

(g/cm3)

Madera (Balso) Artístico,

esculpido.

2.6

(26800𝑘𝑔

𝑐𝑚2)[31] 2.6 [31]

0.15

(150𝑘𝑔

𝑚3)[31]

PLA Impresión 3D 3 [32] 50-70 [32] 1.24 [20]

TPU Impresión 3D 0.483 − 5.5 [33] 40 [21] 1.21 [21]



7

4.2 Diseño a partir de características fundamentales.

Se realizó el diseño digital en el software CAD (Autodesk Maya, Inventor) partiendo de las características

que se deben cumplir en la geometría, teniendo en cuenta que las piezas representarán animales y tienen

restricciones de diseño específicas. El diseño fue retroalimentado y llevado a cabo de la mano del biólogo

que establece dichas características.

En la Figura 1a se muestra el diseño obtenido que representa el cuerpo de la Abeja angelita cuyo modelo

fue realizado desde cero y que cuenta con agujeros para el ensamble de las alas, antenas y pinzas. Para los

otros 3 animales se tomó el diseño base encontrado en la fase de revisión bibliográfica y se realizaron

cambios al diseño para obtener uno propio con características más detalladas y geometrías que permitan

una mejor práctica de la impresión 3D. El diseño del oso de agua no requiere dividir el modelo por secciones

debido a que su geometría facilita la impresión, para los otros animales se tiene en cuenta que las patas son

partes muy delgadas y complejas para el proceso, por lo que se divide el modelo en varias partes.

Figura 1. Modelo CAD de los animales [28]–[30].



8

4.2.1 Diseño usando modelo de Escáner 3D

Tomando una pieza artística de una hormiga del museo, se realizó un proceso de escaneo 3D donde se

somete el modelo a un proyector y una cámara que es capaz de captar la forma de la pieza y convertirla en

una superficie para mostrarla en un modelo digital que luego fue usado para obtener la réplica al ser impresa.

Inicialmente el modelo digital obtenido que se muestra en la Figura 2 tiene la forma del modelo real, pero

para fines de impresión 3D, es útil realizar un rediseño del modelo en ciertas zonas para obtener una pieza

más resistente y el proceso se facilite para luego ser ensamblado.

Figura 2. Modelo de hormiga obtenido con escaneo 3D

4.3 Fabricación de las piezas.

Se fabricaron las piezas a partir de impresión 3D con el método de FDM y usando plástico como materia

prima (PLA, TPU). Para esto se convierte el diseño digital obtenido (Figura 1) a un gcode por medio de un

slicer (Ultimaker Cura), que será usado por la impresora bajo unos parámetros establecidos según las

características de la máquina. En este caso se usó una Anet A8 del laboratorio de CCComposites que se

muestra en la Figura 3.

Figura 3. Anet A8, CCComposites.



9

En el proceso de slicing se definen las características del modelo impreso, donde los parámetros más

representativos se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2. Parámetros principales para slicing

Parámetro Valor (tipo)

Material PLA TPU

Altura de capa 0.16mm 0.2

Relleno 15% 15%

Velocidad 40mm/s 20mm/s

Soporte Si (en árbol) Si (en árbol)

Al ingresar estos parámetros en el slicer se genera una previsualización del proceso de impresión y los

movimientos que realizará la máquina, en la Figura 4 se muestra la previsualización de cada modelo.

Figura 4. Previsualización de CURA: a) Abeja angelita. b) Hormiga. c) Oso de agua d) Zancudo del Dengue

e) Hormiga escaneada.



10

Los modelos fueron impresos por partes para luego ser ensambladas, esto permitió mejorar la calidad del

modelo y reducir tiempos y material de impresión. Además, se realizó un post-procesamiento para retirar

el material de soporte y mejorar el acabado final.

Para mantener las propiedades del relleno constantes en todas las direcciones, se usó una estructura de

giroide que permite esto a diferencia de la mayoría de rellenos. La estructura se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Estructura interna (giroide) de los modelos.

4.4 Validación de las piezas.

Las piezas fabricadas fueron evaluadas por el biólogo para comprobar la calidad del proceso, el

cumplimiento de los requisitos del diseño y la comparación con las piezas antiguas que se tienen en madera.

Para fines más precisos de la validación y un posible trabajo futuro, se tomaron animales reales para obtener

imágenes en un microscopio de barrido electrónico (SEM) donde se puede observar a detalle las

características de cada animal. En la Figura 11 se muestran algunas de las imágenes usadas en esta

validación.

En cuanto a la validación de la pieza obtenida por medio de escaneo 3D, se tomó el modelo de madera que

cumplía con las características representativas de la hormiga y se comparó directamente con el modelo

impreso para verificar la conservación de dichas características al pasar por este proceso. Esta comparación

se presenta en la Figura 12.

Todas las piezas impresas en TPU fueron manipuladas bajo cierto grado de deformación para validar la

resistencia para la aplicación deseada por el museo y las aulas de clase.

4.5 Evaluación de la propuesta de impresión

Para evaluar el impacto real del uso de impresión 3D en el ámbito de educación y conservación del

patrimonio cultural, es necesario realizar unas pruebas en público objetivo, para esto se optó por una

actividad comparativa usando imágenes reales de esculturas de los animales fabricadas con métodos

distintos que se presentan en la Figura 6Figura 6. Esculturas de museo [34]–[37]., cartillas que contienen



11

información de cada animal realizadas en Adobe Illustrator, imágenes de esculturas reales (abeja [34],

hormiga [35], oso de agua [36]y zancudo [37]), piezas impresas en 3D y un video del proceso de fabricación

de dichas piezas donde se muestra el inicio del diseño de la abeja angelita, el slicing en CURA, y el modelo

impreso, algunas capturas del video se muestran en la Figura 8. Luego, se realizaron 2 encuestas a los

participantes donde se evaluaba la actividad como tal para conocer la aceptación del uso de impresión 3D

en estos ámbitos (Anexo 1) y también el conocimiento que las personas tenían respecto al proceso y

materiales usados para producir esos modelos (Anexo 2).

Figura 6. Esculturas de museo [34]–[37].



12

Figura 7. Cartillas de los animales.



13

Figura 8. Capturas del video presentado durante la actividad.

Figura 9. Actividad de evaluación de la propuesta



14

4.6 Estimación de costos

Teniendo en cuenta que un aspecto clave para que un proyecto pueda ser desarrollado en una aplicación es

el económico, se realizó una estimación de costos de producción para los modelos impresos en 3D. Se

tienen los siguientes datos y consideraciones específicas para el cálculo:

1. Ya se cuenta con una impresora 3D

2. No se tiene en cuenta saldo de operario

3. No se tiene en cuenta el alquiler del lugar

4. Base de consumo de energía de 0.12kW [13],[9] con un precio de COP $620/kWh [38].

5. Precio promedio de PLA es COP $70.000/kg y de TPU es COP $140.000/kg.

6. Los porcentajes de utilidad, imprevistos y mantenimiento de 20%, 20% y 12% respectivamente.

La razón de estas consideraciones es poder obtener un valor que pueda ser comparable más fácilmente con

otros casos y lugares, dado que dependiendo del caso las máquinas serán distintas, los salarios, alquileres y

demás cambiarían el costo final de análisis. En la Figura 10 se muestra el método empleado para la

estimación de costos, donde las celdas de color naranja son los datos de entrada que se varían, las azules

son constantes y la celda amarilla sería el costo final. Se usan sumatorias y multiplicaciones simples para

su cálculo.

Figura 10. Hoja de cálculo para costos con PLA para abeja angelita

Se dejan las casillas de arriendo y sueldo de operario o de diseño disponibles en caso de requerir un análisis

más específico en un trabajo futuro.

t. impresión t. postproceso t. diseño

min 1800 90 0

h 30.000 1.500 0.000

ENERGÍA Precio kW/h Consumo [kW]

Eléctrica 620 0.12 2232

UTILIDAD

MATERIAL Peso [g] Precio/ Kg 0.2 4166.4

PLA 180 70000 12600

IMPREVISTOS

ARRIENDO Precio/hora 0.2 4166.4

Local 0 0

MANTENIMIENTO

OPERATIVO Precio/hora 0.12 2499.84

Impresión 0 0

Diseño 0 0

OTROS Total [$] $31,664.64

Tornillos 0

Pegante 1000

Epoxi 4000

Pintura 0

Lija 1000

$20,832.00Total parcial [$]



15

5. Resultados y análisis

5.1 Validación de modelos

Al usar animales reales en el microscopio se obtuvieron las imágenes mostradas en la Figura 11, donde al

ser comparadas con los modelos obtenidos con impresión 3D y al tener en cuenta las restricciones del

proceso, se valida el diseño con la ayuda del biólogo del museo.

Los detalles específicos que se observan pueden ser aplicados a los modelos si se realizan en una escala

mayor o si se utiliza otro tipo de máquina con mayor resolución, esto aplicaría para casos de educación y

exhibición de arte característicos.

Figura 11. Imágenes SEM: a) Cabeza de abeja. b) Antena de abeja. c) Cuerpo de hormiga. d) Pata de hormiga.

Para el caso del modelo escaneado se hizo una comparación visual como se muestra en la Figura 12. Para

el nivel de calidad del modelo real, la aplicación del escáner es ideal y se valida el resultado para el objetivo

establecido de representar la pieza original.



16

Figura 12. Validación del modelo impreso y escaneado 3D.

5.2 Modelos impresos

Los modelos obtenidos mediante impresión 3D usando PLA y TPU se muestran en la Figura 13 y Figura

14 respectivamente con misma escala. Donde los modelos impresos con PLA tienen un mejor acabado final

debido a que su post-procesamiento es más sencillo, esta característica los hace ideales para ser usados en

actividades artísticas como pintar la pieza; los modelos en TPU permiten una mejor manipulación sin dañar

la pieza.

El modelo que se presenta en la Figura 12 fue impreso en PLA y es el resultado de modificar el diseño

obtenido desde el escaneo 3D para separar las patas y antenas del cuerpo de la hormiga para luego ensamblar

el modelo. De esta manera se evitó el exceso de soporte, dificultad de separación entre soporte y pieza, se

aumentó la resistencia y calidad de las piezas.

Como el método de impresión FDM genera piezas anisotrópicas, es importante elegir el mejor sentido de

impresión para asegurar la mayor área transversal posible en cada capa, especialmente si se está usando

PLA debido a su fragilidad [39].

La rigidez de los modelos impresos con TPU se puede variar con el parámetro de relleno y número de

paredes de la pieza, esto con el fin de mantener un modelo flexible pero que pueda sostenerse de manera

similar al animal real. Además, al usar un patrón de giroide disponible en Ultimaker CURA, y que se

muestra en la Figura 5 se facilita que la flexibilidad sea constante en todas las direcciones.



17

Figura 13. Piezas obtenidas en PLA: a) Abeja angelita. b) Zancudo del Dengue c) Hormiga. d) Oso de agua.

Figura 14. Piezas obtenidas en TPU: a) Abeja angelita. b) Zancudo del Dengue c) Hormiga. d) Oso de agua.



18

5.3 Encuestas

Figura 15. Resultados de la encuesta de la actividad.



19

Las encuestas realizadas muestran resultados esperados de aceptación del uso de impresión 3D hasta del

84.1% por parte del público de la actividad sobre las cartillas y piezas de museo. El resultado para el ítem

de aprendizaje indica que tanto la pieza impresa en 3D como la cartilla son herramientas indicadas para

potencializar este proceso.

Se abarcó un amplio rango de edades para la actividad y se obtuvo un resultado positivo de la actividad del

95.1% de los encuestados lo que permite establecer que la actividad es apta para todo tipo de público y los

resultados son significativos sin discriminación de edad.

Figura 16. Resultados de la encuesta por grupo de edad.



20

En la Figura 16 se presentan los resultados ordenados para cada grupo de edad y representado en porcentajes

para tener una comparación más clara. Se nota una distribución similar para los 3 grupos para cada pregunta,

este comportamiento junto con la aceptación del proceso, muestra que la propuesta es viable para todo tipo

de público respecto a la clasificación de edades.

Figura 17. Resultados de la encuesta de materiales.

Impresión 3D55%

Manualmente5%

Otro12%

Molde19%

No responde9%

¿Cómo fabricarías las piezas?

Impresión 3D

Manualmente

Otro

Molde

No responde

Polímeros83%

Céramica4%

Cera3%

Hilo1%

Yeso1%

Material reutilizado2%

No responde6%

¿Qué material crees que se usaron para fabricar las piezas?

Polímeros

Céramica

Cera

Hilo

Yeso

Material reutilizado

No responde



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Los resultados de la encuesta de materiales presentada en la Figura 17 permite identificar la falta de

conocimiento en las aulas de clase acerca de impresión 3D, donde solo el 55% de las personas respondieron

correctamente sobre el proceso de fabricación. Esto es un indicador de que los métodos de enseñanza y

contenidos no están siendo debidamente actualizados dado que este es un proceso relativamente nuevo y

que día a día obtiene más peso en los diferentes ámbitos industriales y educativos.

Esta oportunidad de mejora en los procesos de enseñanza puede ser desarrollada con el proyecto que aquí

se propone. De esta manera se generaría el impacto buscado desde la ingeniería a la educación y patrimonio

cultural.

6. Discusión

6.1 Dificultades

Durante esta investigación surgieron varias dificultades en las diferentes etapas del proceso, algunas

interferían más que otras, ya que, si no se corrigieran, el resultado obtenido no sería posible.

Al utilizar soportes normales, se obtuvo una mayor interferencia entre el soporte y la pieza, lo que dificultó

notablemente el post-procesamiento, ya que había partes muy delgadas que podrían desprenderse junto con

el soporte.

El uso de altas velocidades solo fue posible en áreas con un área de sección transversal grande como el

torso de los animales, en las partes restantes fue problemático hacerlo porque la impresión fallaba

totalmente.

El post-procesamiento de los modelos tiene limitaciones debido a la geometría y la naturaleza del material;

Con PLA se puede lijar más fácilmente, pero en las áreas de difícil acceso el proceso no se puede llevar a

cabo correctamente sin una herramienta delgada que lo permita, con TPU no fue fácil lijar, pero la facilidad

de manipulación de los modelos permite eliminar el exceso de material con menos riesgo de dañar la pieza.

6.2 Impacto en Colombia

Colombia es un país en desarrollo, esto limita en gran medida el tema de la industria, la tecnología, la

infraestructura y, por lo tanto, la educación. Con este proyecto, se puede reducir la brecha entre los métodos

de enseñanza tradicionales utilizados actualmente en el país y los utilizados en todo el mundo por los países

desarrollados; Todo esto con el uso adecuado de la impresión 3D para mostrar a las personas y

especialmente a los estudiantes objetos, mecanismos, animales, sistemas y todo tipo de cosas que no se

pueden tener en cuenta en una presentación real.

6.3 Recomendaciones

Antes de comenzar el proceso de diseño, debe haber claridad sobre el equipo con el que se trabajará, es

decir, conocer la impresora, el material (usar una torre de temperatura), limitaciones, advertencias y otros;

todo esto para enfocar el diseño en el uso de estas características y la optimización de los modelos. Seguir

esta recomendación facilitará las siguientes etapas del proceso y podría definir el éxito o fracaso del

resultado.

Este tipo de geometría es problemático para las impresoras cuyo principio operativo es FDM, por esta razón

se recomienda usar impresoras de resina y usar resina flexible, esto permite un diseño, impresión y manejo



22

más agradables sin aumentar los costos exageradamente como ocurriría con otras tecnologías como el ink-

jet. Si el método de FDM es la única opción, el ABS puede ahorrar muchos problemas con el post-

procesamiento (usando acetona), sin embargo, es necesario tener la impresora encerrada en una estructura

para mantener una temperatura ambiente alta.

El software de slicing tiene opciones especiales que son muy útiles para este tipo de modelos donde las

secciones cambian constantemente y requieren que los parámetros lo hagan también; la altura de capa

adaptativa de Ultimaker CURA es uno de estos. Además, es de gran utilidad saber modificar el gcode final

para adicionar comandos que permitan este cambio de parámetros junto con la geometría del modelo, esto

se realiza cambiando velocidades, temperaturas, ventilación y demás parámetros según el número de capa

en el código.

6.4 Costos de producción

En la Tabla 3 se presentan los costos estimados de producción para cada modelo y material principal. La

diferencia de costos entre materiales se comporta como se esperaba teniendo en cuenta las variaciones que

requiere el proceso para cada material.

Tabla 3. Costos de producción para PLA y TPU en pesos (COP).

COSTOS (COP $) Material

Modelo PLA TPU

Abeja angelita $30.000 $50.000

Oso de agua $16.000 $25.000

Zancudo $28.000 $41.000

Hormiga $25.000 $41.000

Al comparar los precios base de producción de estos modelos con piezas artísticas (entre COP $200.000 y

$1.000.000 [34], [35], [37],) teniendo en cuenta los tiempos y versatilidad del proceso, es notorio que el

proceso es sustentable respecto a técnicas manuales.

Se debe tener en cuenta que los costos para este proceso tienen una curva descendente como se establece

en otros trabajos [10], [11] si se toma en cuenta la compra de la máquina e insumos antes del proceso. Esto

quiere decir que inicialmente los costos pueden ser más elevados que el proceso manual, pero que

rápidamente decrece y es mucho menor que el método tradicional, donde cada pieza es todo un proceso

desde cero en cuanto a materiales, manufactura y tiempos; mientras que con impresión 3D el proceso es

muy versátil pues se puede realizar casi cualquier tipo de figura, más de 1 pieza al tiempo, no se requiere

estar la totalidad del tiempo de producción presente para obtener el modelo, entre otros detalles que

sumados hacen de esta propuesta una herramienta que potencializa la experiencia y el impacto de los

museos.

Un punto clave de la manufactura aditiva es su facilidad de adaptación y velocidad de respuesta frente a un

cambio necesario en el proceso, esto es de gran utilidad y permite que sea usado en casi todo tipo de ámbitos

de manera efectiva.



23

7. Conclusiones

1. La investigación actual ha demostrado que el diseño y la impresión 3D de piezas didácticas

relacionadas con las ciencias, el patrimonio y la cultura es posible y además una buena estrategia

no solo para preservar las obras de arte, sino también para la enseñanza y la cultura.

2. El escaneo 3D demostró ser la mejor manera de preservar el patrimonio al crear copias idénticas

de una pieza de museo, para que las personas puedan interactuar con el modelo sin dañar la pieza

de arte original. Esta técnica permitió comparar los modelos de madera con los impresos donde la

impresión tuvo mejores resultados en general.

3. En términos de educación, esta investigación ha demostrado que lo que funciona mejor es la

combinación de la impresión 3D y la información del modelo (animal) para complementar el

proceso de aprendizaje. El 95.1% de los encuestados prefirieron una de estas opciones. Además del

mismo porcentaje para la aceptación didáctica del uso de impresión 3D en estos ámbitos.

4. El material PLA no solo es económico como se mostró en el análisis de costos, sino también

reciclable y fácil de imprimir; por lo tanto, el proceso es sostenible y educativo, lo que cumple con

los objetivos originales del proyecto.

5. El TPU es una buena alternativa cuando el uso final requiere una manipulación constante y posibles

golpes que pueden dañar el modelo, pero es más costoso y difícil de imprimir que el PLA. Habiendo

analizado una base de los costos, se puede justificar y se recomienda su uso en ciertas aplicaciones.

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26

9. Anexos

9.1 Encuestas

Anexo 1. Encuesta de la actividad.



27

Anexo 2. Encuesta de materiales.



28

9.2 Cartillas

Anexo 3. Cartilla de la abeja.



29

Anexo 4. Cartilla de la hormiga.



30

Anexo 5. Cartilla del osito de agua.



31

Anexo 6. Cartilla del zancudo.

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