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Método de impresión 3D inspirado en la naturaleza supera los métodos existentes

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A toda velocidad, un caracol de jardín absorbe 1 milímetro de pavimento por segundo. Siguiendo esta lógica, el nuevo proceso de impresión 3D de los investigadores del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada supera a los métodos existentes, a paso de tortuga.

Investigadores del Grupo de Sistemas de Materiales Autónomos de Beckman crearon la “impresión de crecimiento“, que imita la expansión de los troncos de los árboles para imprimir piezas de polímero de forma rápida y eficiente sin los moldes ni los costosos equipos que suelen asociarse con la impresión 3D.

“Los humanos tenemos 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 Sameh Tawfick, profesor de ciencias mecánicas e ingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y líder del proyecto.

Tawfick explicó que 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 Tawfick.

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

Primero, Sameh y sus colegas 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, como si el mítico Rey Midas se hubiera apoderado del núcleo de la Tierra.

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 separándola 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.

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.

Tawfick se enamoró de los patrones de crecimiento de los organismos vivos y sus formas resultantes, también conocidas como morfogénesis, tras leer el libro de D’Arcy Wentworth Thompson, “Sobre el crecimiento y la forma”.

En agosto pasado, cuando Tawfick fue ascendido de profesor asociado a profesor titular, dedicó el libro a la Biblioteca Universitaria.

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.

“Es una aplicación hermosa y sencilla de un proceso de reacción-difusión, presente en muchos sistemas naturales.

La velocidad y la eficiencia energética del proceso de crecimiento-impresión lo hacen particularmente atractivo.

En el ámbito del modelado de este proyecto colaborativo, desarrollamos una herramienta computacional que predice el movimiento ascendente de la varilla necesario para lograr la forma deseada del objeto fabricado“, afirmó Philippe Geubelle, profesor de ingeniería aeroespacial de Illinois y coautor del artículo.

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 interesante reflejo de la naturaleza, dijo.

Tawfick dice que el proceso es “simple y muy comercializable” y espera que algún día pueda usarse para crear grandes productos basados en polímeros, como palas de turbinas eólicas.

Fuente: Advanced Materials