Ingenieros del prestigioso Massachusetts Institute of Technology (MIT) presentaron recientemente un método revolucionario en el campo de la impresión tridimensional que promete transformar la forma en que se fabrican objetos complejos, al tiempo que reduce significativamente la cantidad de residuos. Esta innovación se basa en el desarrollo de una resina especial que cambia sus propiedades dependiendo del tipo de luz a la que se expone, abriendo nuevas posibilidades para una producción más rápida y ecológica.

Una nueva era de la fotopolimerización en la impresión 3D

La fotopolimerización en cuba (vat photopolymerization - VP) representa una de las tecnologías fundamentales de la fabricación aditiva, más conocida como impresión 3D. Este proceso utiliza luz, generalmente ultravioleta (UV), para curar selectivamente resina fotopolimérica líquida, capa por capa, construyendo así el objeto tridimensional deseado. La tecnología es valorada por su capacidad para producir objetos de alta resolución con detalles finos y superficies lisas, lo que la hace ideal para productos como audífonos personalizados, implantes dentales precisos, protectores bucales y otros diversos componentes que requieren adaptación individual y geometrías complejas.

El proceso VP clásico, sin embargo, se enfrenta a un desafío inherente: la necesidad de estructuras de soporte. Estas estructuras se imprimen junto con el producto principal, utilizando el mismo material, para asegurar la estabilidad de las partes sobresalientes y evitar deformaciones durante la fabricación. Una vez finalizada la impresión, estos soportes deben eliminarse manualmente, lo que suele ser un proceso laborioso y que requiere mucho tiempo. Además, los soportes eliminados suelen terminar como residuos, ya que su reutilización es raramente posible, lo que contribuye a la huella ecológica de la producción.

Resina revolucionaria con propiedades duales

Un equipo de expertos del MIT, ubicado en Cambridge, Massachusetts, ha ofrecido una solución elegante a este problema. Han desarrollado una resina innovadora que puede formar dos tipos diferentes de materiales sólidos dependiendo de la longitud de onda de la luz que incide sobre ella. Al exponerse a la luz UV, la resina se cura en un material extremadamente fuerte y resistente, ideal para el producto final. Por otro lado, cuando la misma resina se expone a la luz visible, también pasa a un estado sólido, pero forma un material que es fácilmente soluble en ciertos disolventes.

Esta dualidad permite la impresión simultánea de un objeto sólido y sus soportes en un único proceso integrado. Mediante el uso de patrones de luz UV dirigidos con precisión para crear el producto en sí y patrones de luz visible para formar las estructuras de soporte, los ingenieros han eliminado la necesidad de la extracción mecánica de los soportes. Una vez completada la impresión, todo el conjunto se sumerge simplemente en el disolvente apropiado. Los soportes se disuelven rápidamente, dejando atrás solo la parte sólida deseada fabricada con luz UV.

Curiosamente, se pueden utilizar como disolventes diversos líquidos seguros, incluido incluso el aceite para bebés. Más significativamente, los soportes también pueden disolverse en el componente líquido principal de la resina original, de forma muy parecida a como un cubito de hielo se derrite en agua. Este descubrimiento abre la puerta al reciclaje continuo del material utilizado para los soportes. Una vez que el material de soporte se disuelve, esta mezcla puede devolverse directamente a la resina fresca y reutilizarse para imprimir piezas posteriores y sus soportes solubles, reduciendo drásticamente los residuos y los costes de material.

Demostración de capacidades avanzadas

Para demostrar la eficacia de su método, los investigadores aplicaron con éxito la nueva técnica para crear una serie de estructuras complejas. Entre ellas se encontraban conjuntos de engranajes funcionales, intrincadas estructuras reticulares y otros objetos que con los métodos tradicionales requerirían una eliminación cuidadosa y prolongada de los soportes. Un ejemplo fue un modelo de dinosaurio dentro de una estructura de soporte en forma de huevo, que se disolvió elegantemente revelando una figura perfectamente conservada.

«Ahora se pueden, en un único proceso de impresión, crear conjuntos funcionales de varias piezas con partes móviles o interconectadas, y simplemente enjuagar los soportes», explica Nicholas Diaco, estudiante de posgrado y uno de los investigadores principales del proyecto. «En lugar de desechar ese material, se puede reciclar in situ y generar muchos menos residuos. Esa es nuestra máxima esperanza».

Los detalles de este método innovador se publicaron en la revista científica Advanced Materials Technologies a finales de 2023. Además de Diaco, los coautores del estudio del MIT son Carl Thrasher, Max Hughes, Kevin Zhou, Michael Durso, Saechow Yap, el profesor Robert Macfarlane y el profesor A. John Hart, Jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

Superando los desafíos de la fotopolimerización convencional

La fotopolimerización en cuba (VP) convencional comienza con un modelo informático 3D de la estructura que se desea imprimir. Además del objeto en sí, el modelo incluye estructuras de soporte detalladas situadas alrededor, debajo y entre las partes del objeto para garantizar la estabilidad durante la impresión. A continuación, el modelo informático se «corta» en cientos o miles de finas capas digitales que se envían a la impresora VP.

Una impresora VP estándar consta de una pequeña cuba con resina líquida sobre la que se sitúa una fuente de luz. Cada capa del modelo se traduce en un patrón de luz correspondiente que se proyecta sobre la resina, provocando su curado según dicho patrón. Capa por capa, se forma una versión sólida e impresa con luz del modelo y sus soportes sobre una plataforma de construcción. Al finalizar la impresión, la plataforma eleva la pieza terminada por encima del baño de resina. Tras enjuagar el exceso de resina no curada, sigue la fase de eliminación manual de los soportes, generalmente utilizando herramientas de corte y lijado. Este material de soporte, como se mencionó anteriormente, casi siempre termina como residuo.

«En la mayoría de los casos, estos soportes generan una gran cantidad de residuos», señala Diaco, destacando uno de los problemas clave que resuelve el nuevo método.

La química detrás de la innovación: Impresión y disolución

Diaco y su equipo buscaban una forma de simplificar y acelerar la eliminación de los soportes impresos, con el objetivo ideal de reciclarlos. Idearon un concepto general de una resina que, dependiendo del tipo de luz a la que se expusiera, podría adoptar una de dos fases: una fase resistente que formaría la estructura 3D deseada y una fase secundaria que serviría como material de soporte, pero que sería fácilmente soluble.

Tras una detallada investigación química, el equipo descubrió que podían crear dicha resina bifásica mezclando dos monómeros disponibles comercialmente, los bloques de construcción químicos presentes en muchos tipos de plásticos. Cuando la luz ultravioleta ilumina la mezcla, los monómeros se unen en una estructura fuertemente reticulada, formando un material robusto y resistente a los disolventes. Cuando la misma mezcla se expone a la luz visible, los mismos monómeros también se curan, pero a nivel molecular las cadenas poliméricas resultantes permanecen separadas entre sí. El material sólido así formado se disuelve rápidamente cuando se sumerge en ciertos disolventes.

Durante las pruebas de laboratorio con pequeños tubos de ensayo de la nueva resina, los investigadores confirmaron que el material действительно se transformaba en formas insolubles y solubles en respuesta a la luz UV y visible, respectivamente. Sin embargo, al pasar a una impresora 3D con LED de menor intensidad que los utilizados en condiciones de laboratorio, el material curado con luz UV se desintegraba en la solución. La luz más débil solo unía parcialmente los monómeros, dejándolos demasiado débilmente entrelazados para mantener la integridad estructural.

La solución se encontró añadiendo una pequeña cantidad de un tercer monómero, «puenteador». Esta adición permitió una unión más fuerte de los dos monómeros originales bajo luz UV, creando una red considerablemente más resistente. Esta modificación permitió a los investigadores imprimir simultáneamente estructuras 3D resistentes y soportes solubles utilizando pulsos de luz UV y visible coordinados en el tiempo en un único ciclo de impresión.

Amplio espectro de aplicaciones y direcciones futuras

El nuevo método abre la puerta a la producción de piezas extremadamente complejas, incluidos los mencionados engranajes, retículas e incluso una esfera dentro de un marco cuadrado, donde los soportes internos son cruciales, pero su eliminación representa un gran desafío. «Con todas estas estructuras, se necesita una red de soportes por dentro y por fuera durante la impresión», dice Diaco. «Eliminar esos soportes normalmente requiere un trabajo manual cuidadoso. Esto demuestra que podemos imprimir conjuntos de varias piezas con muchas partes móviles y productos detallados y personalizados como audífonos e implantes dentales de forma rápida y sostenible».

El profesor de ingeniería mecánica John Hart, uno de los líderes de la investigación, añade: «Continuaremos explorando los límites de este proceso y queremos desarrollar resinas adicionales con este comportamiento selectivo a la longitud de onda y las propiedades mecánicas necesarias para productos duraderos. Junto con la manipulación automatizada de piezas y el reciclaje de resina disuelta en circuito cerrado, este es un camino emocionante hacia la impresión 3D de polímeros a gran escala, eficiente en recursos y rentable».

Las aplicaciones potenciales de esta tecnología son enormes. En medicina, además de los ya mencionados audífonos e implantes dentales, se abren posibilidades para la creación de modelos anatómicos para la planificación quirúrgica con una precisión increíble, así como para la producción de aparatos de ortodoncia. En la industria, la creación rápida de prototipos de piezas complejas, conjuntos funcionales para maquinaria o incluso componentes para la robótica y la industria aeroespacial podría experimentar una revolución. La capacidad de crear intrincados canales internos y cavidades sin riesgo de daños durante la eliminación de los soportes es particularmente valiosa.

Esta investigación, que amplía las fronteras de la fabricación aditiva, cuenta con el apoyo, entre otros, del Centre for Perceptual and Interactive Intelligence (InnoHK) en Hong Kong, la National Science Foundation (NSF) de EE. UU., la Office of Naval Research de EE. UU. (Office of Naval Research) y la U.S. Army Research Office. Tal amplio apoyo indica la importancia reconocida y el potencial de esta tecnología, no solo para la comunidad científica, sino también para la aplicación industrial y las tecnologías de defensa. La innovación de Cambridge establece así nuevos estándares en la sostenibilidad y eficiencia de la impresión 3D.

Es probable que el desarrollo futuro se centre en ampliar la gama de materiales que muestran este comportamiento selectivo a diferentes longitudes de onda de la luz, así como en optimizar las propiedades mecánicas, térmicas y químicas de los materiales así obtenidos para satisfacer los requisitos específicos de diversas industrias. La integración con soluciones de software avanzadas para la generación automatizada de estructuras de soporte optimizadas para la disolución y el desarrollo de sistemas para la manipulación automatizada de piezas y el reciclaje de resina en un circuito completamente cerrado son pasos clave hacia la aplicación industrial generalizada de esta prometedora tecnología de impresión 3D.

Fuente: Massachusetts Institute of Technology