Logran la primera impresión 4D del mundo en cerámica

Desarrollan la primera impresión 4D para cerámicas, con ‘tinta’ que incluye una mezcla de polímeros y nanopartículas cerámicas.

Un equipo de investigación de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha logrado un avance innovador en la investigación de materiales mediante el desarrollo exitoso de la primera impresión 4D del mundo para cerámica, que es mecánicamente robusta y puede tener formas complejas.

Esto podría llevar a una nueva página en la aplicación estructural de cerámica.

La cerámica tiene un alto punto de fusión, por lo que es difícil utilizar la impresión láser convencional para hacer cerámica.

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Los precursores cerámicos impresos en 3D existentes, que generalmente son difíciles de deformar, también dificultan la producción de cerámica con formas complejas.

Para superar estos desafíos, el equipo de CityU ha desarrollado una novedosa “tinta de cerámica”, que es una mezcla de polímeros y nanopartículas cerámicas.

Los precursores de cerámica en 3D impresos con esta nueva tinta son suaves y pueden estirarse tres veces más allá de su longitud inicial.

Estos precursores cerámicos flexibles y elásticos permiten formas complejas, como el doblado de origami.

Con un tratamiento térmico adecuado, se pueden hacer cerámicas con formas complejas.

El equipo fue dirigido por el Profesor LU Jian, Vicepresidente (Investigación y Tecnología) y Catedrático de Ingeniería Mecánica.

Con el desarrollo de los precursores elásticos, el equipo de investigación ha logrado un avance más mediante el desarrollo de dos métodos de impresión 4D de cerámica.

La impresión 4D es una impresión 3D convencional combinada con el elemento de tiempo adicional como la cuarta dimensión, donde los objetos impresos pueden volver a formarse o autoensamblarse a lo largo del tiempo con estímulos externos, como fuerza mecánica, temperatura o un campo magnético.

En esta investigación, el equipo hizo uso de la energía elástica almacenada en los precursores estirados para la morfología de la forma.

Cuando los precursores de cerámica estirados se liberan, se someten a una autoreformación.

Después del tratamiento térmico, los precursores se convierten en cerámica.

Las cerámicas derivadas del elastómero resultantes son mecánicamente robustas.

Pueden tener una alta relación de resistencia a la compresión a la densidad (547 MPa en 1,6 g cm-3 microretícula), y pueden venir en tamaños grandes con alta resistencia en comparación con otras cerámicas impresas.

“Todo el proceso parece simple, pero no lo es”, dijo el profesor Lu.

“Desde la fabricación de la tinta hasta el desarrollo del sistema de impresión, hemos intentado muchas veces y diferentes métodos.

Al igual que exprimir el glaseado de una torta, hay muchos factores que pueden afectar el resultado, desde el tipo de crema y el tamaño de la boquilla , a la velocidad y fuerza al apretar y la temperatura”.

El equipo tardó más de dos años y medio en superar las limitaciones de los materiales existentes y desarrollar todo el sistema de impresión cerámica 4D.

En el primer método de conformación, se imprimió primero un precursor y sustrato cerámico impresos en 3D con la nueva tinta.

El sustrato se estiró usando un dispositivo de estiramiento biaxial, y se imprimieron juntas para conectar el precursor.

El precursor se colocó luego sobre el sustrato estirado.

Con el control programado por computadora del tiempo y la liberación del sustrato estirado, los materiales se transformaron en la forma diseñada.

En el segundo método, el patrón diseñado se imprimió directamente en el precursor de cerámica estirada.

Luego se liberó bajo control de programación de computadora y se sometió al proceso de auto-transformación.

“Con la versátil capacidad de transformación de forma de los precursores de cerámica impresos, ¡su aplicación puede ser enorme!” dijo el profesor Lu.

Una aplicación prometedora será para dispositivos electrónicos.

Los materiales cerámicos tienen un rendimiento mucho mejor al transmitir señales electromagnéticas que los materiales metálicos.

Con la llegada de las redes 5G, los productos cerámicos tendrán un papel más importante en la fabricación de productos electrónicos.

La naturaleza artística de la cerámica y su capacidad para formar formas complejas también ofrece la posibilidad a los consumidores de fabricar a medida placas cerámicas de diseño exclusivo.

Además, esta innovación se puede aplicar en la industria aeronáutica y la exploración espacial.

“Dado que la cerámica es un material mecánicamente robusto que puede tolerar altas temperaturas, la cerámica impresa en 4D tiene un gran potencial para ser utilizada como un componente de propulsión en el campo aeroespacial”, dijo el profesor Lu.

El siguiente paso es mejorar las propiedades mecánicas del material, como reducir su fragilidad.

Fuente: Eureka Alert