Impresoras 3D

BEATRIZ CARNICER JAIME
MEMORIA DE INVESTIGACIÓN
HERRAMIENTAS DIGITALES
IMPRESORAS 3D EN ARQUITECTURA

MEMORIA DE INVESTIGACIÓN BEATRIZ CARNICER JAIME
INDICE
ABSTRACT....................................................................................................................................................................... 2
1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................................... 3
¿QUÉ SON LAS IMPRESORAS 3D? ................................................................................................................................. 3
CARACTERÍSTICAS DE LAS IMPRESORAS 3D..................................................................................................................4
¿QUÉ APLICACIONES TIENE?......................................................................................................................................... 4
2. IMPRESORAS 3D EN LA ARQUITECTURA..........................................................................................................6
MAQUETAS EN ARQUITECTURA Y CONSTRUCCIÓN .....................................................................................................6
ESTETICA Y FUNCIONALIDAD ........................................................................................................................................ 7
ASPECTOS A TENER EN CUENTA ................................................................................................................................... 8
3. IMPRESORAS EN LA USJ........................................................................................................................................ 9
Impresoras de hilo fundido: WITBOX........................................................................................................................ 9
Impresora de proyección aglutinante.....................................................................................................................10
Conclusiones ........................................................................................................................................................... 10
4. CONCLUSIONES .................................................................................................................................................... 11
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS IMPRESORAS 3D............................................................................................11
CONCLUSIÓN FINAL .................................................................................................................................................... 11
7. BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................................................... 12
1

ABSTRACT
La fabricación de maquetas y prototipos en arquitectura y construcción ha tenido, y tiene, un componente artesanal
relevante. Las maquetas dan vida a los conceptos abstractos, y son la vía más efectiva de comunicación de ideas,
especialmente con el público o clientes fuera del sector arquitectónico, pero tradicionalmente han requerido mucho
tiempo y recursos para su construcción. Hoy, la impresión en 3D ayuda a solucionar muchos de esos problemas.
El desarrollo de los sistemas de diseño asistido, y su evolución hacia los sistemas de modelado sólido y los actuales
sistemas BIM (Building Information System) en edificación, ha permitido obtener maquetas digitales, infografías y
animaciones virtuales de los proyectos con una calidad muy atractiva. El siguiente paso, la elaboración de maquetas
y prototipos físicos que permiten al arquitecto tanto ayudar a diseñar sus proyectos, como comunicar sus ideas a un
cliente, se ha facilitado y agilizado enormemente con la tecnología de impresión 3D.
Frente a los procesos clásicos de construcción de maquetas y prototipos, entre las ventajas de esta tecnología están
el poder reproducir cualquier geometría, la facilidad de introducir cambios en el diseño y la velocidad.
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1. INTRODUCCIÓN
¿QUÉ SON LAS IMPRESORAS 3D?
Todos conocemos y hemos utilizado alguna vez una impresora de tinta o láser convencional, ambas restringidas a las
dos dimensiones, pero en el caso de las impresoras tridimensionales haberlas probado ya no es tan común. A pesar
de su enorme expansión, que cada vez hace más fácil su uso por parte de empresas y consumidores, todavía se ve en
muchos casos como algo lejano y poco conocido.
La realidad es que las impresoras tridimensionales no distan mucho de las antiguas impresoras, o quizás sería más
acertado compararlas con los ploters. En ambos casos se trata de dispositivos con un cabezal que cuenta con tinta o
una herramienta de dibujo que se mueve en un sólo eje formando puntos o líneas, mientras que el propio cabezal o
el papel se va moviendo en otro eje permitiendo formar imágenes en dos dimensiones.
Pues con las impresoras tridimensionales tenemos, como su propio nombre indica, una tercera dimensión que
permite dar volumen a los “dibujos”. De esta forma, basta con tener un modelo 3D de un objeto, que luego gracias a
un software especial se dividirá en capas que iremos imprimiendo una encima de otra como en una impresora
convencional.
La gran diferencia es que en lugar de imprimir tinta sobre papel, normalmente lo que hacemos es ir capa por capa
depositando un material fundido que se va enfriando, o endureciendo un material líquido en zonas concretas, o
incluso soltando tinta. Las impresoras 3D pueden clasificarse según la tecnología utilizada para obtener el prototipo:
• Deposición de hilo fundido: Fabricación por superposición de capas de material fundido, el cual se solidifica
sobre la capa anterior.
• Proyección aglutinante: deposición de material en polvo (composite) y adición de material aglutinante.
• Estereolitografía y Fotopolimerización: baño de resina fotosensible polimerizada por un láser UV o lámpara.
de colores con una especie de pegamento en un material en polvo.
Aparte de los sistemas mencionados existen otros muchos y dependiendo de la tecnología utilizada se trabajará con
un material u otro, tendremos más resolución, será más rápida, permitirá usar colores, etc… Pero en general todos
estos métodos suelen ser aditivos, es decir, van añadiendo material para formar el objeto. A diferencia de los
métodos sustractivos, en los que a partir de un material en bruto se le va dando forma eliminando material con
herramientas, o incluso otros sistemas de fabricación como la fundición, la extrusión, etc…
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CARACTERÍSTICAS DE LAS IMPRESORAS 3D
Aun cuando ya algunos estudios de arquitectura y empresas de construcción empiezan a presentar maquetas de sus
proyectos obtenidos mediante máquinas de impresión 3D, el trabajo que desarrollan discurre de forma intuitiva,
intentando corregir errores sobre la marcha, y sin un hilo argumental que garantice una maqueta válida y fidedigna.
Estos sistemas, también llamados de prototipado rápido, impresión en tres dimensiones o fabricación aditiva, tienen
un principio de funcionamiento relativamente sencillo. Una vez se tiene el modelo electrónico del edificio se genera
una geometría triangulada con la forma final del edificio (fichero esterolitográfico o .stl) de forma que el sistema de
fabricación rápida de maquetas discretiza el modelo en capas, de una altura determinada que oscila entre 0,015 y
0,250 mm, y “construye” la maqueta capa a capa mediante alguna de las diversas tecnologías.
Es conveniente analizar las cualidades y especificaciones técnicas de una máquina de impresión 3D. Las principales
variables a considerar se agrupan en cinco grandes grupos: costes, dimensiones, materiales de trabajo, precisión y
otras variables.
El último grupo de especificaciones recoge otras variables a tener en cuenta, como son la posibilidad de conectar la
máquina en red para, por ejemplo, un control remoto; los tipos de ficheros que soporta, normalmente .stl y otros; o
la velocidad de trabajo en vertical, esto es, el tiempo que la máquina tardará en obtener la maqueta.
También entran dentro de este epígrafe las posibilidades de utilizar software libre, la formación necesaria para sacar
el máximo rendimiento a las máquinas o de la posibilidad de adaptar la impresora con nuevos complementos que
puedan ir saliendo.
¿QUÉ APLICACIONES TIENE?
Muchas aplicaciones se le pueden dar a la impresión 3D, pero entre ellas los sectores más destacados que se pueden
aprovechar de su uso son:
• Arquitectura:
Con las impresoras 3D, los arquitectos ahorran tiempo en la construcción de maquetas artesanales que tiene un
importante coste económico y de tiempo, con esta nueva tecnología en cuestión de horas puede tener el
modelo de su diseño con alta precisión y a todo color.
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• Medicina:
Las biomédicas, que utilizan estos sistemas para construir modelos de los órganos a
operar, obteniendo información verdaderamente interactiva del paciente concreto. La
visualización multisensorial (visual, táctil) del campo operatorio constituye una fuente de
información y de comprensión de la realidad que proporciona una gran ayuda en la
preparación de intervenciones.
La tecnología de impresión 3D está siendo actualmente estudiada en el ámbito de la
biotecnología, tanto académico como comercial, para su posible uso en la ingeniería de
tejidos, donde órganos y partes del cuerpo son construidos usando técnicas similares a la
inyección de tinta en impresión convencional. Capas de células vivas son depositadas
sobre un medio de gel y superpuestas una sobre otra para formar estructuras
tridimensionales. Algunos términos han sido usados para denominar a este campo de
investigación, tales como impresión de órganos, bio-impresión e ingeniería de tejidos asistida por computadora,
entre otros.
• Ingeniería:
Los procesos de mecanizado y fabricación son lentos y muy caros, lo cual significa que el desarrollo de piezas y
prototipos consume grandes recursos.
El concepto que surgió hace unos años y que pone remedio a este problema es el
prototipado rápido. Se trata de optimizar el tiempo y el dinero que se invierte en el
desarrollo, prueba, y fabricación de cualquier objeto.
Las impresoras 3D son la herramienta fundamental del prototipado rápido: Imaginas la
pieza, la diseñas, la imprimes, la pruebas y la rediseñas. Puedes hacer varias iteraciones y mejoras en una tarde,
todo desde la comodidad de tu mesa.
• Educación:
En el ámbito docente y de la enseñanza, no solo universitaria sino incluso secundaria,
puede ser de gran ayuda ésta máquina para facilitar la comprensión de ciertos aspectos.
Pudiendo con ella imprimir modelos en 3 dimensiones que ayuden a la visualización de
ciertas piezas, estructuras o moléculas; disponiendo así tanto el profesor como el alumno,
de algo tangible con lo que poder hacerse una idea clara de lo que se está estudiando.
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2. IMPRESORAS 3D EN LA ARQUITECTURA
Las maquetas arquitectónicas dan vida a los conceptos abstractos, pero tradicionalmente han requerido mucho
tiempo y recursos para su fabricación. Este proceso es problemático para las empresas de arquitectura y
construcción, que tienen que enfrentarse normalmente a plazos muy estrictos para presentar el proyecto en público
a sus clientes.
Como es sabido, los proyectos de arquitectura y construcción involucran gran cantidad de recursos, que deben ser
administrados correctamente para obtener al final unos resultados satisfactorios.
Un sistema de fabricación rápida de maquetas y prototipos es aquel que, partiendo del modelo electrónico de un
proyecto de construcción, obtiene de forma rápida, automática y fidedigna una maqueta física del proyecto a una
escala previamente definida.
MAQUETAS EN ARQUITECTURA Y CONSTRUCCIÓN
La maqueta, como elemento de representación tridimensional de la idea de un proyecto, es un elemento
fundamental en el desarrollo del mismo, tanto para la concreción de las ideas del ingeniero o arquitecto responsable
del proyecto como para la planificación del trabajo o la presentación a la propiedad.
En un primer momento, cuando se plantean los primeros bocetos del proyecto, es conveniente también crear una
pequeña maqueta donde se vea la distribución de volúmenes y espacios abiertos. Esta maqueta suele ser sencilla y
elaborada con los materiales que el equipo de diseño tiene a mano. Además, esta maqueta debe ser muy versátil, ya
que sobre ella se realizarán múltiples modificaciones hasta obtener cierto grado de satisfacción.
A medida que el proyecto avanza en el tiempo se hace necesario ir poco a poco complicando y completando esas
maquetas iniciales, sin salir de la sencillez y siempre, por ahora, de cara a clarificar ideas y analizar la distribución de
espacios y volúmenes. En estas fases surgen nuevas maquetas de trabajo, también de la obra aislada o de la obra
integrada en su entorno, que cada vez se parecen más a lo que será el proyecto una vez terminado.
Cuando el proyecto está terminado, de nuevo se hace conveniente aportar una maqueta a escala. Esta maqueta
deberá estar preparada para obtener el visto bueno del cliente, por lo que ya no será elaborada con los medios
anteriores sino que será desarrollada con calidad y, si la envergadura del proyecto lo permite, subcontratada a un
especialista.
En la siguiente tabla queda reflejado las características de las maquetas según el estado del proyecto:
PROYECTO
De análisis de viabilidad
(Diseño conceptual)
De trabajo, organización y
planificación
(Diseño detallado)
Proyecto terminado
(Marketing)
Características generales
Coste muy bajo
Se requiere poco tiempo
Coste bajo
Puede requerir algún
material específico
Se requieren varios días
Coste alto
Requiere materiales muy
específicos
Puede tardar semanas
Especificaciones
Se requiere velocidad
No requiere gran calidad
Se trabaja en masas
Se requiere velocidad
No requiere gran calidad
Se trabaja en detalles
Se requiere gran calidad
Se trabaja en detalles
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ESTETICA Y FUNCIONALIDAD
Como es sabido, el objetivo de los prototipos mecánicos, ortopédicos o electrónicos es estético, pero también es
funcional. Los prototipos en estos sectores permiten hacer ensayos preliminares y, en determinados casos, incluso
se pueden obtener herramientas y utillajes con estas tecnologías.
En el ámbito de la arquitectura y la construcción las maquetas preliminares tienen un objetivo plenamente funcional,
ya que deben permitir a los técnicos planificar su trabajo, distribuir volúmenes y prever futuros conflictos entre las
diferentes partes que deben conformar la obra. Las maquetas preliminares distan mucho de ser “estéticas”, pero
pueden ser desmontables como una estructura modular y, con ello, pueden permitir a los técnicos profundizar en los
objetivos más importantes de la obra.
Aunque no hay muchas referencias al respecto, una estructura realizada mediante impresión 3D también puede
servir para contrastar el buen funcionamiento de una estructura metálica, por ejemplo, analizando la respuesta de
diferentes distribuciones de vigas y verificando su capacidad de respuesta a los esfuerzos a los que es sometida.
Desde un punto de vista académico, por ejemplo, tener una serie de cubiertas soportadas por cerchas de diferentes
configuraciones puede permitir al alumno ver de una forma directa cómo se soportan las tensiones o cómo se
deforma el conjunto por el efecto de cargas externas. Incluso, si se consigue una correlación entre la respuesta de la
maqueta y la respuesta del material real, esto es, entre las tensiones de rotura del material de la maqueta y del
material de la construcción, y teniendo en cuenta la variable de cambio de escala, se pueden hacer ensayos
preliminares de respuesta de las estructuras a efectos sísmicos, tormentas o fuertes vientos, por ejemplo. En
cualquier caso, estas opciones no servirían en principio para hacer cálculos de precisión en un estudio profesional, al
menos de momento.
Es sabido que aunque una maqueta aguante sobradamente determinados esfuerzos, al hacerla más grande, por el
propio peso de la estructura, o por las cualidades y defectos de los materiales, la estructura puede fallar. Este efecto,
a la inversa, se puede desarrollar en la generación de maquetas, esto es, hacer las estructuras de la maqueta más
finas de lo que saldrían con un simple cambio de escala de forma que la relación de la estructura respecto a su punto
de rotura fuese el mismo que el que plantea la obra real. Evidentemente, esta opción es viable en las fases
preliminares del proyecto ya que, dado que el comportamiento del material nunca será el mismo, los resultados
obtenidos deberán ser contrastados con ensayos reales sobre los materiales finales.
Pero, por supuesto, el objetivo fundamental de una maqueta en arquitectura o construcción, sobre todo el de esas
maquetas que se elaboran de cara al cliente, es eminentemente estético. La maqueta debe ganarse al público, debe
tener todo lujo de detalles y debe responder a las expectativas del cliente de forma plena. Y este es un paso que, a
día de hoy, todavía no han dado en toda su envergadura las maquetas obtenidas mediante sistemas de impresión
3D.
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ASPECTOS A TENER EN CUENTA
Lo primero a tener en cuenta tras el estudio realizado es que todavía no es factible obtener una maqueta con rigor
de forma automática a partir de un modelo informático del proyecto. Hoy por hoy es imprescindible un proceso de
manipulación y puesta a punto del modelo informático para obtener una maqueta fiable.
Además, desde el punto de vista de la obtención de maquetas en arquitectura o construcción, se localizan varios
problemas que deben ser tenidos en cuenta, problemas que pueden ser clasificados en función de que la maqueta
sea de trabajo, o de cara al cliente:
• Maqueta preliminar de trabajo:
Los aspectos funcionales priman frente a los aspectos estéticos, por lo que variables como el color o el acabado
superficial no tienen especial importancia. La velocidad de obtención de la maqueta o el coste sí tienen
importancia.
• Maqueta de obra terminada:
Dado que la escala de la maqueta puede ser pequeña, es importante que los detalles no se pierdan en el proceso
o por roturas frágiles en la manipulación. Los aspectos estéticos priman frente a los aspectos técnicos, por lo que
variables como el color o el acabado superficial cobran especial importancia. Por estas mismas razones estéticas,
los soportes, en el caso que los haya, deben ser eliminados fácilmente sin dejar huella. Las dimensiones finales
de la maqueta suelen ser superiores a los tamaños de trabajo de las máquinas de impresión 3D, por lo que es
normal tener que imprimir por partes y montar el conjunto. En estos casos no solo se deben tener en cuenta las
dimensiones, sino también futuros problemas de montaje y desmontaje. La maqueta final debe salir por un
precio razonable, con lo que las máquinas de prototipado de gran calidad, que también tienen un coste alto,
pierden competitividad.
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3. IMPRESORAS EN LA USJ
A modo de ejemplo de características y uso, en la universidad en la que estudio, Universidad San Jorge de Zaragoza,
disponemos de tres impresoras 3D, dos de deposición de hilo fundido, y otra de proyección aglutinante. Ambas
están en el taller de la escuela y los alumnos tenemos libre acceso a ellas. Tras haberlas usado tengo una pequeña
noción de ellas.
Impresoras de hilo fundido: WITBOX
Estas máquinas de prototipado rápido, son las llamadas autorreplicantes, es decir, sus piezas se pueden construir a
partir de otras impresoras 3D. Sus características son parecidas a las propias impresoras Rep-rap, pero éstas últimas
son mucho más sofisticadas y estéticamente más agradables. El material utilizado se basa en hilos de plástico (en
rollo) de un único color.
En cuanto al uso y manejo de la máquina puedo decir que es muy simple e intuitivo. La máquina dispone de una
pantalla LCD en la que se muestra toda la información y te orienta antes y durante el proceso de impresión. Esta
impresora posee una bandeja donde se imprime el objeto deseado, de medidas 210 x 297 x 200 mm, y que hay que
nivelar cada cierto tiempo, siempre cuidando que el difusor no esté caliente o producirá “cráteres” en contacto con
la bandeja.
Los archivos que lee son los que tienen una extensión .gcode a través de una
tarjeta SD que cómodamente se introduce en la máquina. Conseguir el archivo
.gcode es bastante sencillo. Puedes modelar el objeto en cualquier programa de
modelado; una vez terminado se exporta a un archivo .STL, “STereo
Lithography”; estos archivos se pueden leer con programas como software open
source como Slic3r™, Cura™, Pronterface™ o Repetier™. En nuestro caso
solemos usar CURA por su simple y sencilla interface. Una vez en este programa
sólo tenemos que indicar las características de nuestra impresora, medidas y
comprobar que se va a imprimir de la forma deseada. Como curiosidad y algo
bastante útil, el programa te permite elegir la densidad del objeto con el fin de
no desaprovechar material de más. Este programa nos guardará el archivo en
formato .gcode en la tarjeta SD listo para imprimir.
Como ventaja principal, además de la facilidad de uso y lo comentado anteriormente, esta impresora no necesita
ningún ordenador conectado para imprimir, simplemente se introduce la tarjeta SD. Además el producto final que
imprime no necesita ningún tratamiento final.
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Como única desventaja que encuentro a esta impresora es la imposibilidad de imprimir en varios colores. El objeto
se imprimirá del color del hilo colocado, es decir, monocromo.
Impresora de proyección aglutinante
Esta impresora, que ocupa tres o cuatro veces más espacio que la anterior, se basa en la deposición de material en
polvo (composite) en capas y su ligazón selectiva con el sistema de impresión de “chorro de tinta” de material
aglutinante. Es decir, a diferencia de la anterior, ésta sí imprime objetos
a diferentes colores.
Sobre el área de trabajo de la máquina se deposita el composite de
forma uniforme y posteriormente, varios cabezales de inyección de
tinta (similares a los de una impresora doméstica) lanzan la tinta de
distintos colores sobre la sección del modelo a compactar. Al terminar
la impresión, el composite sobrante se aspira y se recicla para futuros
usos.
Sin embargo la pieza final no es consistente del todo, aún es frágil y
necesita de un acabado especial para que lo sea, bañándola en un
producto aglutinante.
También la forma de introducir la información de la pieza a imprimir es diferente, ya que para empezar en este caso
sí que es necesario tener un ordenador permanentemente conectado a la máquina. Además el software a usar es
que viene con cada máquina, es decir no es libre.
Conclusiones
La verdad que si tuviera que quedarme con una no se con cual sería. Las desventajas de una, las completa la otra y
viceversa. Si es verdad que he usado más veces la impresora de hilo fundido, ya que me resulta más sencillo y rápido
modelar en mi ordenador, guardar el archivo gcode, pasarlo a la tarjeta SD y poder seguir trabajando en otras cosas
mientras se imprime la pieza. Sin embargo la de aglutinante, aunque tiene su propio conectado con su software,
siempre tienes que acceder a ese ordenador para imprimir, lo cual es engorroso. Sin embargo tiene la ventaja de que
puede imprimir a color, lo cual los objetos resultantes son más llamativos; sin embargo necesitan una última capa
que les dé más resistencia final.
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4. CONCLUSIONES
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS IMPRESORAS 3D
VENTAJAS
1. Versatilidad. La revolución que supone para la manufactura de productos. Una sola impresora 3D es capaz
de realizar infinidad de productos distintos. Gran parte de la manufactura actual, se realiza con máquinas
específicas cuya función está limitada y si el producto cambia, la máquina también debe readaptarse o
cambiarse.
2. Flexibilidad y prototipado rápido. El límite es la imaginación y la capacidad para representar tus ideas en 3D.
3. Reducción de costes. Tanto en el proceso de producción cómo en el proceso de transporte.
4. Personalización. Una de las ventajas más atractivas, es la posibilidad de realizar tus propias prendas, objetos,
productos.
5. Nueva industria y sector. Una nueva industria y un nuevo sector que creará nuevos puestos de trabajo, y
nuevas formas de negocio.
6. Aplicaciones múltiples aún por descubrir. La impresión 3D tiene mucho campo por recorrer y cada vez se
aplicará en más campos.
DESVENTAJAS
1. Disminución de puestos de trabajo. La elaboración propia de los productos, y la disminución de maquinaria
puede conllevar menos puestos de trabajo en la manufactura.
2. Vulneración de los derechos de autor. La réplica de objetos con copyright, será difícil de controlar pues los
escáneres 3D permiten la réplica de cualquier objeto.
3. Usos malintencionados de la tecnología. Lamentablemente, existe la posibilidad de crear objetos tales como
armas de fuego, y el peligro de generalizar este tipo de objetos. artículo sobre el asunto
4. Aumento de productos inútiles.
CONCLUSIÓN FINAL
No existe ninguna herramienta que, partiendo de modelos virtuales de construcción o arquitectura, obtenga una
maqueta correcta. Ninguna tecnología responde en este momento de una manera absolutamente favorable a las
especificaciones de trabajo en el campo de la arquitectura y la construcción, razón por la que el sector todavía tiene
bastante que evolucionar.
Por suerte para los investigadores y desarrolladores del sector, el campo de trabajo de obtención de maquetas
físicas mediante impresión tridimensional a partir de un modelo electrónico tiene que mejorar todavía mucho. Por
contra, para los usuarios del sector significa que todavía deberán esperar para que las tecnologías mejoren y, por
supuesto, bajen los precios.
No obstante, los sistemas de generación rápida de maquetas y prototipos están entrando en el ámbito del diseño
con gran fuerza, por lo que no es descabellado pensar que en breve todos los proyectos de construcción deberán
aportar una maqueta obtenida mediante estos sistemas.
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7. BIBLIOGRAFÍA
Gibson, I., Kvan, T., Wai Ming, L. (2002). Rapid prototyping for architectural models. Rapid Prototyping J, 8 (2), 91-99.
Ryder, G.; Ion, B.; Green, G.; Harrison, D. y Wood, B. (2002). Rapid design and manufacture tools in architecture.
Automation in Construction, 11, 279-290.
R. Knoppers and R. Hague, CAD for Rapid Manufacturing, Rapid Manufacturing. pp. 39–54, 2006
http://www.3dsystems.com/
http://www.nopuedocreer.com/quelohayaninventado/1867/impresora-3d-para-oficinas/
http://www.xataka.com/perifericos/impresoras-3d-como-funcionan
http://www.impresoras-3D.info/historia-de-las-impresoras-3D/
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