Practica 1: TECNOLOGÍA Y DISEÑO E EN LA CULTURA: La Impresión 3D


La impresión en 3D hace mucho tiempo pasó de teoría a realidad, y en los últimos años los fabricantes de impresoras 3D han ido solucionando los dos grandes problemas de estos aparatos: costes de producción  por un lado, velocidad y precisión por otro. En actualidad ya están disponibles varios modelos, así como algunos productos de fabricación aditiva. 
Los expertos predicen que las impresoras 3D serán comunes en los hogares en los próximos años. En este escrito trataremos la tecnología que se esconde detrás de las impresoras 3D de manera genérica, de cómo funcionan, el progreso y  futuro de la tecnología y campos de aplicación.

Los usos de la impresión 3D se extienden de objetos prácticos, de uso cotidiano, a productos comerciales y sus piezas; además, se está desarrollando otro campo de aplicación de la impresión 3D de tejido vivo o bioprinting, con fines médicos (impresión de partes constituyentes del cuerpo humano como órganos y extremidades).
En cuanto al material de impresión, hay modelos capaces de imprimir en más de un centenar de materiales, entre los cuales destacan los polímeros termoplásticos, cerámicas, metales y, como ya mencionamos anteriormente, las propias células de un ser vivo.

Vivimos en una época en la que somos testigos de lo que muchos llaman la Tercera Revolución Industrial. La impresión en 3D, en términos industriales llamada fabricación aditiva, nos aleja de la línea de producción en masa de la era Henry Ford y nos llevará a una nueva realidad, de la producción propria y personalizada de productos sencillos o complicados.

Para entenderlo mejor, imagínese que necesita un recambio para su lavadora averiada. Hoy en día, debería pedir dicha pieza al técnico del barrio que a su vez la recibe de un importador Europeo que colabora con una fabrica china que produce este tipo de piezas en serie, probablemente moldeadas por inyección a partir de un molde muy caro. En el futuro, cuyo comienzo ya está aquí, simplemente deberá imprimir dicha pieza en 3D, a partir de un fichero CAD descargado desde la pagina oficial de su marca de lavadoras; todo esto al momento, sin intermediarios y métodos de producción caros y lo mejor de todo, en su propria casa, o en el centro de impresión 3D de su barrio. 

Las impresoras 3D utilizan diferentes tipos de tecnologías de fabricación aditiva, pero todos comparten una característica fundamental: crear un objeto tridimensional mediante la construcción por capas sucesivas. Es muy parecido a la impresión en dos dimensiones en una hoja de papel, pero incorporando el eje "Z", constituyente de la tercera dimensión, a lo largo del cual se distribuyen las capas de material una sobre otra. Cada una de estas capas impresas es una sección transversal en finas rodajas horizontales del objeto digitalizado. Imagínese una tarta de múltiples capas de bizcocho; el pastelero establece la forma de cada capa para llegar a un resultado determinado. La impresión 3D es algo similar, pero sólo un poco más preciso que el bicarbonato.

Después de esta comprensible visión o definición genérica se la impresión 3D, vamos a ir concretando los distintos tipos de fabricación aditiva, desde la impresión 3D FDM, donde se funde y se extruye un material en capas distribuidas una sobre otra, a la impresión 3D SLS, donde un lecho de material en polvo, como el nylon o el titanio, es endurecido (sinterizado) en finas capas sobrepuestas para que finalmente se retira la pieza del exceso de material en polvo. Es un mundo fascinante que avanzar rápidamente y que, indudablemente, va a cambiar nuestro actual estilo de vida, cultura y costumbres.


Todo comienza con un archivo digital.

En el mundo 2D, una hoja de papel impreso parte de un previo fichero digital "diseñado" en un equipo informático mediante softwares como  Microsoft Word. El archivo - el documento de Word - contiene unas instrucciones  concretas que indican al inyector de tinta de la impresora que tinta elegir y que  movimiento realizar para dejar exacta la mancha previamente diseñada sobre el plano de papel.
En el mundo 3D, una impresora  también necesita tener instrucciones, por lo que también requiere un  archivo CAD creado desde cero o escaneado mediante software especializados de modelado y escaneado 3D. Este archivo CAD es analizado por el software de la impresora, cuya tarea consiste en rebanar el modelo digital en cientos, o quizás miles de capas horizontales. Estas capas se imprimen una sobre otra hasta que finalmente el modelo digital se convierte en una pieza física tridimensional. 


¿Es impresión 3D o fabricación aditiva?
Impresión 3D es el término común o popular (no oficial) que se refiere al método producción correctamente llamado "fabricación aditiva". La aparición del termino "impresión 3D" no se debe más que a la facilidad y frescura de mencionar la fabricación aditiva, es decir: resulta mucho más cómodo decir: "Voy a  imprimir en 3D esta pieza" que decir "voy a fabricar aditivamente esta pieza". 

Entonces, ¿qué es la fabricación aditiva? En algún día muy cercano del futuro, la gente va a mirar hacia atrás y ver nuestros procesos de fabricación actuales como vemos nosotros la herrería de la edad media. Lo interesante de esta última frase es que gran parte de los procesos de fabricación de hoy en día son en realidad muy similar a la herrería, motivo por el cual ambos métodos comparten la nomenclatura de "fabricación sustractiva".

La fabricación sustractiva se basa en la eliminación de material. El herrero machacó al metal calentado para crear un producto. Hoy en día, sierra, fresadora o taladro entre otras, son máquinas que eliminan material de un bloque inicial  para crear el producto final. Es ineficiente y derrochador. Abundan otras técnicas de fabricación, pero casi todas ellas se basan en la idea de reducir gradualmente la materia prima.

Como seguramente ya suponían, la fabricación aditiva crea el producto añadiendo material. Un poco por aquí, otro poco por aya y siempre donde es necesario. No tiene desperdicio, por lo que es muy eficiente. Podrán comprobar que existen muchos tipos de impresoras 3D, pero independientemente de la tecnología involucrada para su funcionamiento, es un medio de fabricación aditiva.

Vamos a echar un vistazo a una impresora 3D en la acción antes de profundizar en lo que son los tipos o tecnologías de manufactura aditiva. En el vídeo a continuación consiste en una pequeña recopilación que muestra la evolución de la tecnología de Impresión 3D que, como ya se mencionó, en un futuro próximo revolucionará por completo los sistemas de fabricación, distribución y venta de bienes físicos.


Impresoras 3D comerciales
Aunque la mayoría de las personas desconocen la existencia de las tecnología de impresión 3D, estas han sido usadas por las fábricas desde hace décadas, sin embargo, en la fabricación tradicional, hasta hace poco se quedaron estancadas en el uso como medio de creación de prototipos o prototipado. Este estanqueamiento de la manufactura aditiva se debía a la lentitud y altos costes del equipo.

Ahora, las impresoras 3D son mucho más rápidas y algunos modelos con gran calidad de definición se pueden adquirir por unas decenas de miles de euros, y a largo plazo, las empresas terminan ahorrando en el proceso de creación de prototipos e incrementar su calidad. Por ejemplo, Nike utiliza las impresoras 3D para crear prototipos de zapatos utilizando materiales poliédricos multicrimáticos de alta resistencia. Antes de utilizar este metodo de fabricación, solían gastar miles de dólares en un prototipo y esperar varias semanas para ello. Ahora, el costo asciende a unas pocas centenas de euros, y se pueden hacer cambios al instante en el equipo y el prototipo reimpreso en el mismo día.

Algunas empresas están utilizando las impresoras 3D para la fabricación de piezas a medida, donde los objetos impresos no son prototipos, sino el producto final adquirido por el usuario. Como las velocidades y calidades de impresión 3D suben y sus precios bajan, cada vez más se utilizará este tipo de fabricación, por lo que en el futuro se espera una amplia disponibilidad de productos personalizados producidos mediante la fabricación aditiva. 

Impresoras 3D personales
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Hasta ahora sólo hemos hablado de las impresoras 3D comerciales, pero existe otro mundo de la impresión 3d de naturaleza doméstica o personal.  Gracias a las impresoras 3d personales, los usuarios pueden diseñar y crear sus propios objetos o piezas  “de bricolaje”. Estos modelos son básicos por lo que la calidad de impresión es inferior a la de las maquinas comerciales pero presentan la gran ventaja de ser asequibles. Existen distintos modelos con distintas capacidades y el precio oscila entre los 300 y 3000 euros.

El proyecto de código abierto RepRap realmente encendió este mercado entre los aficionados de la misma manera el micro-ordenador Apple I encendió el mercado de los ordenadores domésticos a finales de 1970. Por menos de mil 500 euros, la gente puede  adquirir el kit RepRap y armar su propia impresora 3D, y lo que es más, estas impresoras imprimen la mayoría de las partes que las constituyen otras impresoras. De hecho,  RepRap es diminutivo de “prototipado rápido de replica”, por lo que son capaces de crear su propia replica. El principal objetivo de RepRap es conseguir una auto-replicación íntegra de la impresora, incluyendo la parte electrónica. 
El proyecto RepRap generó centenas de otras impresoras 3D de bajo coste por todo el mundo y a medida que los precios sigan bajando, las impresoras 3D personales podrán ser adquiridas por más y más gente.

¿Hay que ser un ingeniero o un experto en modelado para poder utilizar tu propia impresora 3D? En realidad no; los software de CAD como AutoCad y SolidWorks resulten costosos y complejos, sin embargo hay otros programas de modelado 3D, muchos de ellos gratuitos,  que son muy fáciles de aprender. La versión gratuita de Google SketchUp, por ejemplo, es muy popular por su facilidad de uso, y el programa Blender libre es muy popular por sus características avanzadas.


Métodos de impresión en 3D
La estereolitografía (SLA)
La primera impresora 3D disponible en el mercado utiliza el método de estereolitografía (SLA). Fue inventada en 1986 por Charles Hull, que posteriormente fundó la empresa 3D Systems. Una impresora de SLA 3D funciona mediante la concentración de un haz de luz ultravioleta enfocado sobre la superficie de una cuba llena de resina fotocurable líquida. El endurecimiento de cada capa o "rebanada" del modelo 3D se produce cuando la luz alcanza la delgada capa de resina. Las distintas capas quedan unidas una a la otra consiguiendo una muy alta resolución de modelo completo que queda sumergido en la cuba. La resina sobrante es reutilizable para el siguiente trabajo. Una vez extraída la pieza física de la impresora SLA, esta se limpia de posibles excesos de material y se introduce en un secador de luz ultravioleta para endurecer por completo la pieza. Para finalizar, se eliminan más excesos de material y se le aplica un acabado a la pieza.


Modelado por deposición fundida (FDM)
Esta técnica de modelado por deposición fundida inventada por Scott Crump por a finales de 1980. Con la tecnología de modelado por deposición fundida (FDM), el objeto se produce por extrusión de material termoplástico fundido que pasa por una boquilla metálica calentada mediante resistencias eléctricas, para formar capas. Cada capa se apila en la parte superior de la anterior y se fusiona con ella cando el material se endurece (casi inmediatamente después de salir de la boquilla de extrusión). Es uno de los métodos de impresión 3D menos costosos. La mayoría de las impresoras FDM imprimen con plástico ABS, así como PLA, un polímero biodegradable que se produce a partir de materia orgánica.

El término real "Fused Deposition Modeling" y su abreviatura "FDM", son propiedad de Stratasys. RepRap usa un proceso similar, pero lo ha calificado como " Fused Filament Fabrication" (FFF) traducido como Fabricación por Filamento Fusionado, a fin de no ser arrastrada en juzgados por Stratasys. Con FFF, el material se administra mediante filamentos de material termoplástico distribuido en bobina. 

La sinterización selectiva por láser (SLS)

En el mundo de la Fabricación aditiva, la década de 1980 fue grande no solo por la invención de tecnologías de impresión 3D como SLA y FDM, sino que en esta misma década también se invento la impresión de Sintonización Selectiva por Láser (SLS), cullo merito se lo lleva Carl Deckard y sus colegas de la Universidad de Texas. SLS funciona de manera similar a SLA, pero en lugar de fotopolímero líquido en una cuba, se puede encontrar materiales en polvo, tales como polietileno, cerámica, vidrio, nylon, y metales incluyendo acero, titanio, aluminio, plata y oro. Cuando el láser golpea el polvo, este se funde en ese punto. Todo el polvo no sinterizado se mantiene como está, y se convierte en una estructura de apoyo para el objeto. La falta de necesidad de cualquier estructura de soporte con SLS, es una ventaja sobre FDM / FFF y SLA; no hay nada de quitar una vez el modelo está completo, y no tienen desperdicio adicional de material. Todo el polvo no utilizado se puede utilizar para la siguiente impresión.

Fotopolímero Polyjet
La marca Objet (adquirida por Stratasys) desarrolló esta tecnología. El funcionamiento es muy parecido a los depósitos de inyección de tinta tradicionales, un líquido de fotopolímero se inyecta y luego endurece con una luz ultravioleta. Este proceso se repite con cada capa o “rebanada” del modelo digital. Esta tecnología consigue altas resoluciones y permite diversos materiales y colores.


Impresión 3D: cambio radical

La impresión instantánea de partes o productos íntegros, en cualquier lado del mundo, supondrá un cambio radical no solo en la industria, también en la cultura y estilo de vida.

La medicina está cambiando gracias a los nuevos bioprinters que actualmente permiten imprimir tejidos humanos para las pruebas farmacéuticas pero en un futuro próximo, también serán capaces de crear íntegramente órganos y huesos.
Arquitectura y construcción están cambiando también. Ahora, se crean modelos impresos en 3D de dibujos arquitectónicos complejos de forma rápida y económica, en lugar del proceso costoso y  lento de fabricación artesanal de maquetas. Es más, ya existen impresoras 3D experimentales que imprimen estructuras de hormigón, con el objetivo de crear algún día edificios enteros con una impresora 3D.
El arte ya ha cambiado para siempre. Los artistas digitales están creando magníficas piezas que resultan casi imposibles realizarlas por los métodos tradicionales. Desde esculturas a difusores de luz, objetos bellos que casi no necesitan un proceso de fabricación, sino que todo acaba con el diseño CAD por ordenador.
Otro ejemplo de la aplicación y desarrollo de esta tecnología lo vemos en la arqueología. Los arqueólogos pueden escanear en 3D aquellas piezas de alto valor cuya exploración física resulta casi imposible debido a la fragilidad de la pieza, para luego imprimir copias exactas de ellas y manejarlas sin temor a roturas. Las réplicas se pueden hacer fácilmente y se distribuyen a otros centros de investigación y museos. De hecho, se ha utilizado la impresión 3D para crear una reproducción a tamaño real de la momia de Tutankamón y para reparar la escultura El Pensador de Rodin.
El futuro de la impresión 3D

Se trata de una tecnología revolucionaria de proporciones gigantescas, con grandes efectos sobre el uso de la energía, los residuos, la personalización y disponibilidad del producto, el arte, la medicina, la construcción, las ciencias y por supuesto, la fabricación. En definitiva, va a cambiar el mundo como lo conocemos antes de que nos demos cuenta.

8 comentarios:

  1. ...con el Progreso³ exponencial de la Ciencia y la Tecnología, en el Futuro cosas vendrán que ahora ni siquiera podemos imaginar...

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  2. ...viaje interestelar (inmortales nuevo cuerpo)... Bioprinting 3D...la tecnología usada para imprimir documentos también está siendo utilizada para crear tejido vivo, en un futuro no muy lejano para "imprimir", sobreponiendo una capa sobre otra, órganos enteros como un corazón, un hígado, un riñón, y algún día un cuerpo entero. La técnica es exactamente igual a la que usa una impresora de chorro de tinta normal, que cuando imprime un documento (o una imagen) las tintas de distintos colores se distribuyen sobre el papel siguiendo un patrón específico. Todo esto comenzó así: en la Universidad de Clemson (años hace ya) han sustituido las tintas de las impresoras por unas "tintas de células" vivas. Los cartuchos de tinta fueron rellenados con unas soluciones de células y el software fue reprogramado. El "papel" es un gel biodegradable, diseñado en la Universidad de Washington, que se solidifica al alcanzar los 32 ºC de temperatura. Todavía le falta ¿mucho? para ser una realidad de grandes prestaciones. El principal problema es que aún no es capaz de crear un órgano por el que circule la sangre, pero sí puede imprimir un tejido del grosor de un riñón en solo 2 horas, incluidos los vasos sanguíneos. El siguiente paso es imprimir las partes más minúsculas de un órgano, justamente aquellas que lo hacen funcionar. Si se consigue esto estaríamos muy cerca de la Eternidad para el ser humano. La NASA y otras empresas están interesadas en estas investigaciones.

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  3. ...viaje interestelar (inmortales)...tampoco habrá, si no queremos, que viajar físicamente. "Solo" tendremos que dejar nuestro cuerpo, ya sin Memoria, "aparcado" aquí y emitir nuestra Memoria por radio-ondas, que viajará a la velocidad de la luz, para que al llegar al lugar de destino la vuelvan a grabar de nuevo en nuestro otro cuerpo de allí... La tele-transportación, que la física cuántica quiere hacer realidad, es lo mismo...saltar de nuestro cuerpo original, que queda ya abandonado para siempre, a nuestro nuevo cuerpo artificial, ya inmortal porque es recambiable, de allí... ¿Hasta que punto estamos dispuestos a reconocer a un amigo que ha recibido un implante ortopédico tras un accidente?. ¿Hasta 1 pierna?...¿además de la pierna los 2 brazos?...¿además de esto el tórax?...¿además de esto...?, ¿hasta donde le seguimos considerando la misma persona?. En último término, fuera ya del cuerpo físico, queda la Memoria...que es, sencillamente, lo que nosotros somos ("Heaven can wait": Warren Beatty, Julie Christie). Allá donde va nuestra Memoria...vamos nosotros con ella. Nosotros somos nuestra MEMORIA y nuestros GENES. Lo mismo que un ordenador, además de otras auxiliares, tiene 2 clases de memoria: la RAM (leer/grabar), y la ROM (grabada en fabrica y de solo lectura por el microprocesador); un ser Humano tiene también 2 clases de Memoria: la Leer/Grabar y la que está indeleblemente grabada en el Sistema Límbico y en nuestros Genes, y que te hacen ser como eres y no de otra forma..."todo es según el color del cristal con que se mira"... (¿Que es la Memoria?...¿son tal vez substancias bioquímicas que se modifican según la clase de recuerdos a almacenar?...¿son tal vez señales eléctricas que fluyen por la neuronas?...¿donde está exactamente guardado y como, ese recuerdo de hace mucho tiempo que no recordábamos y que de pronto aparece en nuestra mente fresco y exacto como el primer día?)... Nuestro cuerpo solo es el "automóvil" que nos transporta. Al dormir cada noche "desconectamos"...y al despertar cada mañana "conectamos"...y nuestra Memoria nos auto-reconoce al instante. Si hubiéramos perdido la Memoria...habríamos dejado de existir para volver a comenzar desde cero. Lo mismo en nuestro propio cuerpo original, que en nuestro nuevo cuerpo... Terra Nova...ALLÁ VAMOS►

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  4. ...viaje interestelar (inmortales 2)... ¿Clonación?...directos al Futuro...BIOPRINTING 3D...tu Memoria grabada al nuevo cuerpo y...la Inmortalidad. Para nosotros es demasiado pronto para engancharnos a la 1ª Generación Inmortal. Quien sabe...metidos en nitrógeno líquido a 200 ºC bajo cero, no se nota el paso del Tiempo. Cuando después de 5,000 años te hagan abrir los ojos de nuevo y alguien te diga...¡¡Hola!!...creerás que el Adiós fue solo hace un momento... ¿Donde estoy?...(aplausos, gritos, risas...) en el Biomedical Recovery Center). What day is today?...21 de Julio del 7,014. Si yo estaba en...oh Dios...dame un espejo...¿estás seguro?...sí...aarrghghgg... No te preocupes que enseguida te imprimimos un nuevo cuerpo a tu medida. Toma, elige en tu Catálogo. A ver...este a lo "atlético" mismo... Vale. Y tu Princesa, ¿cuantos años tienes?...esas cosas no se le preguntan a una mujer. Sí que te has "recuperado" rápido. Vamos, tu nueva vida te espera. ¡Jo!...se me ha roto una pierna al ponerla en el suelo... No te preocupes que te llevamos en brazos a la Mom-Printer, solo tienes que dejarle tus genes. La Impresora restaurará y usará como base este antiguo cuerpo tuyo para hacerte de nuevo. ¿Nos volveremos a ver?...tal vez en vacaciones porque te han alojado cerca, en el planeta X de la estrella Vega.

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  5. ...viaje interestelar (inmortales 3)... Detener el envejecimiento celular a los 20 años de edad para toda la Eternidad. Un ser vivo está constantemente auto-regenerándose, no tendría por qué envejecer. La Naturaleza ya no quiere mantener al ser vivo que se reproduce, como pasa con los salmones, para HACER SITIO a los nuevos que vendrán, como debe ser. Pero una especie Inteligente está llamada a coger las riendas de su destino...la Inmortalidad...aspiración nº 1 de toda especie Inteligente...algún día...aún lejano. Claro que antes hay que ir saliendo ya a Colonizar todos los Satélites, Asteroides, Cometas, buscar nuevos Planetas... HACER SITIO para tanta gente.

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  6. ...viaje interestelar (inmortalidad ahora)... MEMORIA-GENES-FOTO►Cuerpo Bioimpreso►Espacio... Grabar la Memoria en un soporte electrónico y almacenarla por Ley en el Banco Oficial de Datos, junto a los Genes y una Foto de cada cual...a la espera de que haya en el Futuro: 1- Cuerpos Bioimpresos idénticos genéticamente, en imagen, y en todo a los originales, en los que "revitalizar" a los/las durmientes electrónicos/as... 2- Espacio donde vivir una nueva vida ya Inmortal en algún lugar habitable del Universo... No Podemos pretender quedarnos todos/as aquí...además, como ya sabemos, todas les estrellas y todos sus planetas tienen "fecha de caducidad"...hay que irse... "La Tierra es el origen de la razón, pero es imposible vivir eternamente en el origen" (Konstantin E. Tsiolkovski). Hay que acelerar la Investigación sobre la Memoria y la Colonización del Espacio...la Inmortalidad...viene. Bioprinting 3D...Telomerasa...

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  7. Bioimpresión: Hay que decirle muy claramente a los religiosos ya de una vez, que no nos interesan ni lo más mínimo sus cuentos para ignorantes, ni sus "debates éticos" sobre nada. No queremos más cuentos de religión nunca más. Lo que Sí queremos es conseguir LA INMORTALIDAD, punto.

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  8. ...viaje interestelar (inmortalidad viene)... BIOPRINTING 3D...es el inicio...ya está aquí...año 2,014...todavía no puede imprimir un órgano por el que circule la sangre, pero en el Futuro cosas vendrán que ahora ni siquiera podemos imaginar...año 2,100...ya se ha conseguido la Bioimpresión de tejido vivo idéntico al natural...año 2,200...la Bioimpresión de órganos ya es un hecho habitual y la gente vive 200 años...año 2,300...el progreso social ha erradicado la religión y a las monarquías y a los políticos profesionales, que vivían del trabajo del Pueblo. Hay por fin un reparto equitativo de los Bienes de la Tierra...ya no hay pobres... Se erradica el engaño del conteo religioso del Tiempo y se elige como verdadero punto de partida de la Historia de la Humanidad el inicio de la Edad del Bronce: años 4,500 "a.c." + 2,300 "d.c."=Año verdadero 6,800... Año 6,900...las Bioimpresoras imprimen toda clase de órganos con absoluta perfección, indistinguibles de los naturales...la investigación sobre la Memoria ha llegado a esclarecer todos sus enigmas...la gente vive un ilimitado nº de años con 20 años de edad biológica permanente...hasta que llegue un accidente... Año 7,000...las Bioimpresoras Mom-Printer han alcanzado la perfección e imprimen cuerpos enteros y perfectos, idénticos genéticamente, en imagen, y en todo a los originales...se "revitaliza" en ellos a los/las durmientes electrónicos/as y a crionizados/as del pasado...se graba la Memoria (guardada por Ley en los Bancos Oficiales de Datos) en los perfectos Cuerpos Bioimpresos...ya no importan los accidentes... Las naves espaciales van a miles de G de aceleración constante ((teclear: viaje interestelar aceleración constante))...ya no hay distancias insalvables en el Universo...estamos en miles de Planetas...

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