La impresión 3D en el deporte

La impresión 3D, o fabricación aditiva, es una técnica de producción que crea un objeto tridimensional a partir de un archivo de diseño asistido por ordenador (CAD). El término abarca varios procesos diferentes en los que uno o más materiales -por lo general, plástico, metal, cera o material compuesto- se depositan capa a capa para construir una forma.

Todo el proceso está controlado por un ordenador, lo que hace que la impresión 3D sea un método rentable, eficiente y preciso para crear objetos de casi cualquier geometría o complejidad. Hoy en día, la impresión 3D se utiliza en todos los sectores para producir prototipos, herramientas y plantillas, componentes y piezas de uso final.

Las impresoras 3D vienen en varios tamaños, desde las más pequeñas que caben en una mesa hasta las máquinas industriales de gran formato.

Las impresoras grandes pueden producir objetos más grandes, pero las máquinas ocupan más espacio y cuestan bastante más que las impresoras de sobremesa. Lograr una impresión satisfactoria también es más complejo en una impresora de gran formato debido al volumen de material y al tiempo de impresión que conlleva.

La impresión 3D en el ámbito del deporte y el fitness ofrece muchas ventajas, entre ellas

Aceleración del diseño y desarrollo de productos
Mayor flexibilidad en el diseño  
Modificación y mejora más rápida del producto
Equipos más ligeros y resistentes
Mejora de la aerodinámica
Mayores opciones de personalización
En el mundo del deporte, las fracciones de segundo marcan la diferencia entre ganar o perder. Cualquier tiempo ganado en la velocidad de reacción de un atleta o en la rapidez con que se cura una lesión puede ofrecer una ventaja competitiva única.

El peso es igualmente importante para que los atletas rindan al máximo. El peso influye en gran medida en la velocidad, la resistencia y la potencia de un deportista y del equipo, el vehículo o el animal del que depende. Reducir el peso puede ayudar a un atleta a rendir mejor, a recuperarse más rápidamente y a competir a un nivel superior.

La impresión 3D en el deporte es una clave que permite ahorrar tiempo y peso hasta ahora inalcanzables. Lo hace al permitir el diseño y la fabricación de productos más ligeros que son tan fuertes, si no más, que los que se hacen con métodos de fabricación más convencionales.

Además, la impresión 3D en los deportes ofrece una libertad de diseño mucho mayor. La tecnología puede producir geometrías muy complejas que serían difíciles, si no imposibles, de fabricar de otra manera. La combinación de la impresión 3D con la tecnología de escaneado láser también proporciona un nuevo nivel de personalización de un producto según la anatomía y las necesidades únicas del usuario. 

La mayor asequibilidad y accesibilidad de la impresión 3D en el deporte ha hecho que esta tecnología mejore el rendimiento a todos los niveles, desde los aficionados hasta los olímpicos. Muchos de los principales fabricantes deportivos del mundo, junto con un número cada vez mayor de empresas emergentes y disruptores del mercado, ya están aprovechando las capacidades de la tecnología.

Esta actividad ha dado lugar a una creciente gama de aplicaciones para la impresión 3D en el deporte, desde artículos sencillos como protectores bucales y espinilleras hasta creaciones más complejas como palos de golf y tablas de surf. Seguramente se producirán más innovaciones a medida que se siga conociendo el potencial de la impresión 3D.

La campeona mundial de paracanoeismo Emma Wiggs MBE sabía que podía ganar más potencia y propulsar la canoa más rápido con un remo más fuerte y ligero personalizado a sus necesidades individuales.

El diseño básico del remo apenas ha cambiado en años y no estaba adaptado a la ergonomía de los paracanóicos. Aunque su longitud podía modificarse, la hoja, el eje y el mango eran los mismos para todos los deportistas, independientemente de su tamaño, peso o estilo de agarre. 

Al identificar la pala como un elemento de bajo rendimiento, el Campeón Paralímpico se asoció con ingenieros del Centro Nacional de Fabricación Aditiva del Centro de Tecnología de Fabricación y del Centro Nacional de Composites para idear una solución.

El nuevo diseño de la pala de fibra de carbono se basó en un modelo de simulación por ordenador de la ergonomía y las técnicas individuales de Emma, incluido el ángulo en el que la pala entraba en el agua. Se diseñaron varias opciones para el mango, que se adaptaron a las manos de Emma, se aligeraron y se fabricaron mediante impresión 3D de polímeros de alto rendimiento.

La pala final tenía un mango hecho a medida que era un 50% más ligero, un eje que era un 254% más rígido y una pala rediseñada que era un 154% más rígida con un ángulo mejorado para maximizar la potencia de Emma en la entrada de la pala en el agua.

Con la pala rediseñada en la mano, Emma se llevó a casa su segunda medalla de oro en los Juegos Paralímpicos de Tokio 2020.

Según Emma, "las carreras se ganan por pequeños márgenes y esto demuestra que las adaptaciones correctas de nuestro equipo pueden marcar la diferencia el día de la carrera. Gané mi medalla de oro en un mejor tiempo paralímpico bajo una presión extrema, pero saber que tenía la mejor pala posible en mis manos marcó una gran diferencia y contribuyó enormemente a que me asegurara la victoria."

• EQUIPAMIENTO DEPORTIVO PERSONALIZADO IMPRESO EN 3D

Algunos ejemplos son:

Equipo de protección - es decir, cascos, protectores oculares, almohadillas y protectores, protectores bucales, guantes y tacos
Ropa deportiva - es decir, zapatos, plantillas, botas y prendas seleccionadas
Equipamiento deportivo - es decir, bates, palos, cabezas, asientos y empuñaduras
Prótesis
Equipo de entrenamiento: ayudas de precisión, pesas y agarres.
Una de las ventajas más célebres de la impresión 3D en el ámbito deportivo es la facilidad con la que se pueden fabricar artículos a medida para conseguir un ajuste, una protección, una sujeción y una comodidad óptimos. Esta es actualmente la aplicación más común de la tecnología.

Los artículos deportivos impresos en 3D pueden personalizarse de muchas maneras diferentes, desde pequeños cambios como alterar el color o actualizar el logotipo de un patrocinador hasta modificaciones más complejas como rediseñar y producir rápidamente una pieza de equipo de protección para que se ajuste más perfectamente.

Un equipamiento mal ajustado e incómodo afecta en gran medida al rendimiento deportivo. Puede causar dolor, llagas y ampollas e incluso aumentar el riesgo de una lesión. Esto es especialmente cierto en el caso de una prótesis (un dispositivo diseñado para sustituir una parte del cuerpo que falta). Sin embargo, el proceso tradicional de fabricación de piezas únicas personalizadas es lento y caro.

La combinación de escaneado láser de alta definición, sofisticados programas informáticos de modelado e impresión en 3D ha simplificado y agilizado enormemente el proceso.

Estas tecnologías permiten la rápida producción de artículos a medida que se ajustan con precisión a la anatomía, los requisitos y el estilo del usuario. El hecho de no tener que tomar medidas manualmente ni fabricar moldes aumenta la precisión y la rapidez del proceso. Esto permite un diseño, una entrega y una mejora iterativa mucho más rápidos.

Además, los productos impresos en 3D suelen utilizar estructuras de rejilla o malla, algo que otros métodos de fabricación tienen dificultades para reproducir. Estas estructuras ofrecen una mayor flexibilidad y absorción de los impactos, además de ser más ligeras, duraderas y transpirables. Todos estos atributos ayudan a mantener a los deportistas cómodos, frescos y competitivos.

• LA IMPRESIÓN 3D EN LA MEDICINA DEPORTIVA

Algunos ejemplos son:

Máscaras faciales, almohadas médicas, corsés, yesos, férulas y botas
Una de las aplicaciones de mayor crecimiento de la impresión 3D en el deporte es el campo de la medicina. Cuando se produce una lesión, los equipos deportivos y los atletas se enfrentan a una gran presión para volver a estar en forma lo antes posible. La impresión 3D ofrece nuevas e innovadoras formas de acelerar la recuperación y reconstruir huesos rotos.   

Los artículos impresos en 3D no sólo están optimizados para acelerar la recuperación fuera del campo, sino que también permiten a los deportistas seguir compitiendo mientras se curan sus lesiones. Las máscaras faciales impresas en 3D, por ejemplo, permiten a los futbolistas jugar mientras se recuperan de una fractura de nariz, mejilla u otras lesiones faciales.

Al igual que los equipos de protección y deportivos mencionados anteriormente, los productos médicos impresos en 3D pueden personalizarse rápida y fácilmente para conseguir el ajuste y el soporte óptimos para la recuperación.

• LA IMPRESIÓN 3D EN LOS DEPORTES DE MOTOR

Los ejemplos incluyen:

Componentes de tapicería - es decir, salpicaderos, marcos de asientos, paneles de control, cajas eléctricas, rejillas de ventilación y conductos de refrigeración, cubiertas y accesorios de consola
Piezas mecánicas - es decir, soportes de montaje, horquillas de suspensión, componentes de frenos, sistemas de escape, piezas de motor y algunas estructuras de soporte
La velocidad y el peso son factores esenciales en muchos deportes, pero especialmente en los deportes de motor. Desde la Fórmula 1 y la MotoGP hasta el Campeonato Mundial de Rallyes y el Tour de Francia, los competidores buscan constantemente una ventaja que les haga ir más rápido.

Estos deportes han utilizado durante mucho tiempo la impresión 3D para crear prototipos ultrarrápidos en las primeras fases, que podían probarse en un túnel de viento y modificar los diseños según fuera necesario. Una vez optimizada, la pieza final se fabricaba normalmente con técnicas de fabricación más convencionales, como el moldeo por inyección o el mecanizado CNC.

En el ámbito deportivo, la impresión 3D se utiliza cada vez más para producir piezas finales de bajo volumen en todo tipo de materiales y formas complejas. La parrilla actual de los coches de Fórmula 1, por ejemplo, contiene docenas de componentes ligeros impresos en 3D que, en algunos casos, cuestan un 90% menos que los producidos por métodos convencionales. Una consideración importante en deportes con estrictos límites de gasto para los equipos que compiten.

• IMPRESIÓN 3D BAJO DEMANDA

La posibilidad de fabricar piezas bajo demanda es otra capacidad clave que impulsa la adopción de la impresión 3D en el deporte. Llevar el proceso de producción a la empresa proporciona un mayor control sobre el proceso y reduce el tiempo entre el diseño y la fabricación.

Además, muchos equipos deportivos suelen competir lejos de sus sedes y de las instalaciones de ingeniería asociadas. Esto hace que tener un suministro de piezas de repuesto fácilmente accesible sea un reto.

Los equipos no tienen la capacidad ni el presupuesto para llevar una pieza de repuesto para cada eventualidad, ni tienen tiempo para fabricar una con los métodos tradicionales. Por ello, no es raro que una pieza tenga que ser transportada en primera clase hasta el lugar de la carrera, por ejemplo.  

La velocidad, la flexibilidad y la eficacia de la impresión 3D en el deporte permiten fabricar las piezas de forma rápida y rentable cuando y donde se necesitan. Los archivos CAD digitales también ayudan a optimizar las existencias y eliminan la necesidad de mantener grandes instalaciones de almacenamiento.

 

Las rodillas, los tobillos y los codos son las partes del cuerpo que más se dañan en las lesiones relacionadas con el deporte. Las lesiones de estos huesos, desde pequeñas fisuras hasta trozos que se desprenden, pueden ser dolorosas y a menudo interrumpen la carrera de los deportistas. También pueden dar lugar a una artritis incapacitante.

Aunque los atletas se ven desproporcionadamente afectados por estas lesiones, pueden afectar a todo el mundo.

Científicos de la Universidad de Rice y de la Universidad de Maryland han diseñado un andamio impreso en 3D que reproduce las características físicas del tejido osteocondral (hueso duro bajo una capa comprimible de cartílago que aparece como superficie lisa en los extremos de los huesos largos).

Hasta ahora, los investigadores habían tenido dificultades para reproducir el gradiente de cartílago-hueso y su porosidad. El Laboratorio de Biomateriales de la Universidad Rice imprimió un andamio con mezclas personalizadas de polímero para el cartílago y cerámica para el hueso. Los poros incrustados permiten que las células y los vasos sanguíneos del paciente se infiltren en el implante, permitiendo que éste acabe formando parte del hueso y el cartílago naturales.

Esta prueba de concepto podría dar lugar a una serie de nuevas soluciones de medicina regenerativa. El siguiente paso del proyecto es determinar cómo crear un implante osteocondral que se adapte perfectamente a la autonomía del paciente; un reto para el que la impresión 3D es ideal.

3D printing in sports represents a game-changer with almost limitless growth opportunities for amateurs to pro athletes. Exciting innovations are being driven by improvements in the quality and detail of printed objects (known as resolution), the industry’s greater familiarity with the technology, and continued research in more resilient materials such as advanced composites.

Yet, the technology does have limitations. 3D printing in sports is well suited to the upper levels where products are needed in low quantities and companies have sizeable R&D budgets. Despite its potential, the technology isn’t yet able to deliver on its promise of producing mass-customized products at a high street volume or price point.    

• LARGE SCALE PRODUCTION

La impresión 3D en los deportes representa un cambio de juego con oportunidades de crecimiento casi ilimitadas para los aficionados y los atletas profesionales. Las mejoras en la calidad y el detalle de los objetos impresos (lo que se conoce como resolución), la mayor familiaridad del sector con la tecnología y la continua investigación de materiales más resistentes, como los compuestos avanzados, están impulsando innovaciones apasionantes.

Sin embargo, la tecnología tiene limitaciones. La impresión 3D en el ámbito deportivo es muy adecuada para los niveles superiores, en los que se necesitan productos en cantidades reducidas y las empresas disponen de presupuestos considerables para I+D. A pesar de su potencial, la tecnología aún no es capaz de cumplir su promesa de producir productos personalizados en masa a un volumen o precio elevado en la calle.    

• PRODUCCIÓN A GRAN ESCALA

En muchos casos, la impresión 3D en el ámbito deportivo puede producir un solo artículo o un pequeño lote de artículos de forma más rápida y eficiente que los métodos de fabricación convencionales. Sin embargo, la tecnología sigue teniendo problemas cuando se trata de volúmenes mayores.

Cada máquina sólo puede imprimir un determinado número de objetos a la vez, dependiendo del tamaño de la máquina y del objeto, por lo que la impresión 3D puede no ser la técnica más rápida o rentable para muchos productos que podrían beneficiarse de la personalización en masa.

• NORMAS REGLAMENTARIAS

La impresión 3D en los deportes está sujeta a los mismos controles de calidad que cualquier otra tecnología o método de fabricación. Estas evaluaciones son un paso importante para que las innovaciones salgan de los laboratorios de I+D y se generalicen. Dado que la industria del deporte aún se encuentra en las primeras fases de adopción de la impresión 3D, muchos de estos controles aún no se han completado o, en algunos casos, no se han iniciado.

El proceso de aprobación de los componentes críticos para la seguridad o los equipos de protección es especialmente riguroso. La sustitución de técnicas de producción probadas por algo nuevo conlleva un nivel de riesgo con el que algunos fabricantes u organismos deportivos no se sienten cómodos. 

Esto puede cambiar a medida que las aplicaciones y los materiales de impresión 3D obtengan las aprobaciones pertinentes y se desarrollen e introduzcan las normas reglamentarias adecuadas.

• CALIDAD INCONSISTENTE

Las impresoras 3D todavía no pueden imprimir resultados perfectos en todo momento. Los porcentajes de fallo dependen de la máquina y el material utilizados y del objeto impreso. Además, la eliminación de irregularidades o texturas de la superficie puede requerir pasos adicionales de procesamiento manual para conseguir el acabado deseado.

Es probable que factores como los índices de fallos y el procesamiento posterior se reduzcan a medida que la tecnología mejore y la gente se familiarice con la impresión 3D en los deportes. En el caso de los objetos basados en un modelo escaneado, la calidad de la impresión final también vendrá determinada por lo sofisticado que sea el equipo de escaneado. Las impresiones de mayor calidad pueden requerir la inversión en un escáner y una impresora 3D más caros.

• TAMAÑO DE LAS PIEZAS

Las impresoras 3D tienen limitaciones de tamaño inherentes que las hacen incapaces de producir componentes grandes. En algunos casos, se pueden unir varias piezas más pequeñas, aunque no siempre es la solución ideal.

Los fabricantes de impresoras 3D están trabajando para solucionar las limitaciones de tamaño de las máquinas existentes, por ejemplo, eliminando las barreras presentes en las cámaras de impresión típicas.

Helmets are a critical piece of safety wear that defends against skull fractures and serious brain injuries. How well a helmet fits the wearer’s head and whether it moves around or not affects how much protection it provides.

Riddell is a company specializing in sports equipment for American football and is widely known for its line of helmets and head impact monitoring technologies. To advance on-field protection for players at all levels, Riddell has teamed up with Carbon 3D to create the next generation of helmet.

The Riddell SpeedFlex Precision Diamond helmet model combines Riddell’s Precision-Fit head scanning and helmet fitting process with a customized 3D-printed helmet liner precisely contoured to the player’s head.

Each helmet contains more than 140,000 individual struts carefully arranged into lattice design pads designed for maximum impact absorption with superior comfort and fit. The lattice structures are printed in a custom resin designed specifically by Carbon to meet Riddell’s rigorous performance requirements.

The liner pads go between the outer helmet shell and the player’s head and their design has been informed by analyzing more than five million on-field impacts captured by Riddell’s smart helmet technology. This database allows each lattice structure to be customized and individualized depending on a player’s size, position and style.

According to a senior spokesperson for Riddell, no two players play the same way, they all have different styles and tendencies on the field. With the SpeedFlex Precision Diamond, players are not only experiencing the latest in head protection but can also dictate where the helmet is positioned to improve sightlines and maximize field vision.