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Impresora 4D reversible con elastómeros

La nueva impresora 4D desarrollada por investigadores de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD) que trabajaron con la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) consigue que un material fabricado en 3D cambie su forma y vuelva a aparecer repetidamente sin componentes eléctricos.

La tecnología de esta impresora 4D reversible podría hacer realidad objetos como las  ‘cortinas inteligentes’ que fuera posible extender o retraer automáticamente sin necesidad de levantar un dedo, y sin el uso de sensores o dispositivos eléctricos, ya que en su lugar confia en los niveles cambiantes de calor durante los diferentes momentos del día para cambiar su forma.

La impresión 4D se refiere esencialmente a la capacidad de los objetos impresos en 3D de cambiar su forma con el tiempo debido al calor o al agua, mientras que su aspecto de reversibilidad le permite volver a su forma original. Sin embargo, para que vuelva a ella, generalmente se requiere estirar o tirar manualmente del objeto, lo que puede ser laborioso y ocupar mucho tiempo.

En los últimos años, ha habido avances exitosos en el estudio de la impresión 4D reversible, donde el objeto recupera su forma original sin ninguna intervención humana. Esto generalmente implicaba el uso de hidrogel como estímulo para lograr la impresión reversible en 4D.

Como el hidrogel carece de resistencia mecánica, se convierte en una limitación cuando se usa para aplicaciones de carga. Al mismo tiempo, otros trabajos de investigación que utilizaron varias capas de material como alternativa al hidrogel, solo hicieron que el procedimiento para permitir la actuación reversible fuese más tedioso.

Para abordar estos desafíos, los investigadores de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur colaboraron con la Universidad Tecnológica de Nanyang para revolucionar la impresión 4D haciéndola reversible, sin necesidad de hidrogel ni interferencia humana.

Este trabajo de investigación utilizó solo dos materiales, VeroWhitePlus y TangoBlackPlus, que estaban más fácilmente disponibles y eran compatibles, para imprimir en una impresora 3D de inyección múltiple y comparar el resultado con el uso de un hidrogel. Los investigadores también demostraron en su artículo que los materiales podían retener una resistencia mecánica considerable durante y después de la actuación.

Fig.1 . Procesar cadenas de efectos de memoria de forma. (a) Efecto de memoria de forma irreversible (unidireccional); (b) efecto de memoria de forma reversible (bidireccional).

Impresora 4D con elastómeros hinchables

El proceso consistió en el hinchamiento del elastómero con etanol para reemplazar la función del hinchamiento del hidrogel para inducir el estrés en el material de transición. Cuando se calienta, el material de transición cambia su forma a una segunda. Después de que el etanol se esté secando del elastómero, se calienta el material de transición nuevamente, lo cual permite que vuelva a su forma original, ya que el elastómero retirará el material de transición debido a la energía elástica almacenada en él después del secado.

El elastómero desempeña una doble función en todo este proceso. Se utiliza tanto para inducir estrés en la etapa de programación como para almacenar energía elástica en el material durante la etapa de recuperación.

Este proceso de impresión 4D reversible también ha demostrado ser más preciso cuando el material vuelve a su forma original en comparación con el estiramiento manual o la inducción de tensión. Si bien aún está en pañales, este desarrollo innovador ofrece una amplia variedad de aplicaciones en el futuro cuando haya más mecanismos y más materiales disponibles para imprimir.

«Si bien la impresión 4D reversible en sí misma es un gran avance, porque el poder utilizar un material más robusto al tiempo que garantice una inversión más precisa durante el cambio de forma es revolucionario, ya que nos permite producir estructuras complejas que no se pueden lograr fácilmente a través de la fabricación convencional. En cuanto a las condiciones ambientales en lugar de la electricidad, lo convierte en un desafío para varias industrias, cambiando por completo la forma en que diseñamos, creamos, empaquetamos y enviamos productos«, explicó el profesor Chua Chee Kai, investigador principal y jefe de desarrollo de productos de ingeniería en SUTD.

Más información: Amelia Yilin Lee et al, Preliminary Investigation of the Reversible 4D Printing of a Dual-Layer Component, Engineering (2019). DOI: 10.1016/j.eng.2019.09.007