La naturaleza inspira un méotodo más rápido y eficiente de impresión 3D

Un nuevo sistema de impresión 3D que imita la expansión de los troncos de los árboles ha sido utilizado para imprimir piezas de polímero de forma rápida y eficiente sin moldes ni costosos equipos.

Investigadores del Grupo de Sistemas de Materiales Autónomos del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada presentan la nueva técnica de "impresión de crecimiento" en la revista Advanced Materials.

"Los seres humanos tienen un talento increíble para crear cosas. Es difícil encontrar procesos de fabricación completamente nuevos. La impresión de crecimiento es completamente nueva, lo cual es emocionante", afirmó en un comunicado Sameh Tawfick, profesor de ciencias mecánicas e ingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y líder del proyecto.

La tecnología de fabricación industrial más común es el moldeo por inyección, donde los polímeros fundidos toman forma en un molde metálico. Si bien es eficaz para la producción en masa, el mantenimiento de los moldes y los hornos de curado (donde se endurece el plástico) puede resultar prohibitivo y complejo, especialmente para objetos grandes como cascos de barcos o aspas de ventiladores. La fabricación aditiva, que imprime objetos en 3D como un pastel de capas, no requiere moldes y es ideal para piezas personalizadas como prótesis.

"Los equipos de impresión 3D de polímeros han evolucionado, pero aún presentan aspectos que los hacen caros y muy lentos", afirmó Sameh Tawfick, profesor de ciencias mecánicas e ingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y líder del proyecto.

"Nuestro objetivo era aumentar la velocidad de fabricación, el tamaño y la calidad del material, manteniendo un bajo coste. Este proceso que ideamos es realmente rápido y económico".

Primero, vierten una resina líquida de color ámbar llamada diciclopentadieno, o DCPD, en un recipiente de vidrio abierto sumergido en agua helada. Calientan un punto central de la resina a 70 °C. A medida que la reacción se desarrolla, el calor irradia hacia afuera desde el punto de contacto original a 1 mm/s, más de 100 veces más rápido que las impresoras 3D de escritorio disponibles para uso doméstico y 60 veces más rápido que la especie de bambú de más rápido crecimiento del mundo. Todo lo que toca el calor se endurece formando una esfera creciente. Autosostenida por la liberación constante de calor, la reacción -denominada polimerización por metátesis por apertura de anillo frontal y apodada FROMP- utiliza una energía mínima para endurecer la resina hasta su forma sólida: polidiciclopentadieno o p-DCPD.

A medida que la esfera endurecida crece, los investigadores alteran su forma extrayéndola de la resina como una manzana de un caramelo pegajoso. Dado que la reacción de líquido a sólido solo ocurre bajo la superficie, los investigadores pueden levantar, sumergir o girar la parte sólida como si fuera vidrio soplado para manipular su tamaño y forma. Por ejemplo: para crear un borde corrugado u ondulado, los investigadores levantan ligeramente la resina, la mantienen quieta y repiten el proceso.

IMITAR LA EXPANSIÓN DEL TRONCO DE UN ÁRBOL

Los investigadores diseñaron su proceso para imitar la expansión constante de un árbol, anillo a anillo. En la naturaleza, elementos como la gravedad, el viento y la temperatura complementan y complican la tendencia de los árboles a crecer simétricamente, lo que resulta en árboles que se curvan con el viento o se extienden hacia un rayo de sol en el dosel del bosque.

Utilizando su nuevo método, Tawfick y sus colegas fabricaron objetos cotidianos como una piña, una frambuesa y una calabaza. Todas estas son formas axisimétricas, es decir, simétricas alrededor de un eje vertical. Las formas asimétricas son más complejas, pero posibles; por ejemplo, los investigadores esculpieron un kiwi permitiendo que el cuerpo esférico se expandiera bajo la superficie antes de levantarlo justo a tiempo para crear una cabeza diminuta y un pico diminuto.

Las limitaciones de este método son las mismas que se encuentran en la naturaleza. Imprimir objetos curvos, como plátanos, es teóricamente posible, pero difícil de programar matemáticamente, al igual que las formas complejas, como "una espina en una rosa", afirmó Tawfick.

"Es difícil encontrar un cubo perfecto en la naturaleza. No conozco ninguna planta u organismo que se parezca a un cubo perfecto. De igual manera, nuestro proceso no puede crear un cubo perfecto. Es un reflejo interesante de la naturaleza", dijo.

Tawfick afirma que el proceso es "simple y muy comercial" y espera que algún día pueda utilizarse para crear grandes bloques de polímero.