Los ingenieros de UCLA han desarrollado una técnica de impresión 3D más rápida y sencilla para fabricar productos electrónicos, reduciendo su tiempo de proceso de horas a unos pocos minutos. El método puede usarse para imprimir productos electrónicos en formas complejas en volúmenes que podrían usarse para conjuntos de antenas, prótesis, sensores y robots.
Una antena impresa utilizando el método de los investigadores. Crédito: Hensleigh et al
La impresión 3D es vital para el desarrollo de dispositivos electrónicos
La mayoría de los dispositivos electrónicos actuales, incluidos los teléfonos inteligentes y las computadoras portátiles, utilizan componentes electrónicos planos y bidimensionales para piezas como sensores internos o antenas. La electrónica tridimensional puede ofrecer curvas y formas que ayudan a ahorrar espacio dentro de los dispositivos. Y las formas complejas, que solo se pueden hacer prácticamente a través de la impresión 3D, también pueden mejorar el rendimiento del producto, por ejemplo, al hacer más fuerte la señal de una antena.
Los métodos actuales de impresión 3D para electrónica utilizan tintas de múltiples capas que son conductoras de la electricidad.
Este proceso de varios pasos puede llevar varias horas como mínimo y hasta días para completar una compilación más grande. Además, este proceso solo puede producir formas simples. Ambas son razones por las que la electrónica 3D no se usa ampliamente.
Para cambiar este paradigma, los investigadores de la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA han desarrollado un nuevo método de dos pasos que reduce el tiempo de proceso a solo unos minutos:
- Primero, el equipo usó una sola impresora óptica 3D para modelar formas 3D con precargas electrostáticas programadas.
- En segundo lugar, los investigadores sumergieron las piezas impresas en una solución que contiene un material disuelto, como cobre conductor de electricidad. En cuestión de segundos, el material comenzó a organizarse y adherirse a las formas diseñadas.
El nuevo enfoque no solo es mucho más rápido, sino que también permite que la electrónica se construya con formas complejas que tienen detalles tan pequeños como unas pocas décimas de milímetro.
«Nuestro método mucho más rápido y simple puede abrir la puerta a la integración de nuevas clases de electrónica 3D, como antenas más ligeras y compactas para la próxima generación de teléfonos inteligentes y comunicaciones 5G, o nuevas clases de sensores y materiales inteligentes para dispositivos portátiles«, dijo, Xiaoyu «Rayne» Zheng, investigador principal de la investigación y profesor asistente de ingeniería civil y ambiental e ingeniería mecánica y aeroespacial en UCLA.
El nuevo método también podría usarse en sensores táctiles encontrados en máquinas de ultrasonido y robots de cuerpo blando, dijo Zheng, quien dirige un laboratorio de investigación que combina técnicas de fabricación aditiva con materiales inteligentes.
La clave para programar instantáneamente materiales conductores en cualquier característica 3D prediseñada es aprovechar la atracción electrostática, el mismo fenómeno que explica por qué un globo se pega a la pared después de frotarlo contra el cabello.
«Imaginemos una cuadrícula en blanco con cuadrados que se puede marcar en negro, gris o blanco, esa es la misma idea aquí mientras programamos dónde van los electrodos«, dijo el estudiante graduado de ingeniería de UCLA Ryan Hensleigh, autor principal del artículo de investigación. “Píxel por píxel, llenamos una cuadrícula estampada con materiales con carga positiva o negativa, o neutros”.
«Luego usamos este patrón de carga eléctrica para depositar electrodos, materiales conductores y semiconductores en toda la superficie de un producto impreso en 3D«, agregó Hensleigh.
Para demostrar las capacidades de su nueva técnica, los investigadores imprimieron varios dispositivos, incluidas las yemas de los dedos artificiales que pueden sentir los contornos de formas y puntos de presión. El sensor tipo retícula tiene electrodos internos y de superficie que detectan formas cuando se aprietan.
El equipo también construyó un modelo detallado de la Torre Eiffel de dos pulgadas de alto, con electrodos en toda su estructura, para mostrar cómo se puede utilizar el método para producir productos electrónicos con una estructura compleja.
El nuevo enfoque, dijo Zheng, también puede unir múltiples materiales en un producto terminado, que los métodos anteriores no lograron. Esto puede incluir materiales magnéticos; materiales semiconductores; cerámica; piezoeléctricos, que son materiales que crean cargas eléctricas cuando se empujan; y nanotubos de carbono, que son láminas enrolladas de átomos de carbono.
Más información: Ryan Hensleigh et al. Charge-programmed three-dimensional printing for multi-material electronic devices, Nature Electronics (2020). DOI: 10.1038/s41928-020-0391-2
Fuente: Samueli UCLA
