Una nueva impresora 3-D utiliza la luz para transformar líquidos pegajosos en objetos sólidos complejos en solo unos minutos.

Apodado el "replicador" por los inventores, por el dispositivo de Star Trek que puede materializar cualquier objeto a pedido, la impresora 3D puede crear objetos que son más suaves, más flexible y más complejo de lo que es posible con las impresoras 3D tradicionales. También puede encerrar un objeto ya existente con nuevos materiales, por ejemplo, agregar un mango a la pieza de un destornillador de metal, algo que los impresores actuales luchan por hacer.

La tecnología tiene el potencial de transformar la forma en que se diseñan y fabrican los productos, desde prótesis hasta lentes para anteojos, dicen los investigadores.

"Creo que esta es una ruta para poder personalizar aún más los objetos en masa, ya sean prótesis o zapatillas para correr, "dijo Hayden Taylor, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de California, Berkeley, y autor principal de un artículo que describe la impresora, que aparece en línea hoy (31 de enero) en la revista Ciencias .

"El hecho de que pueda tomar un componente metálico o algo de otro proceso de fabricación y agregar geometría personalizable, Creo que eso puede cambiar la forma en que se diseñan los productos "Dijo Taylor.

La mayoría de las impresoras 3D, incluidas otras técnicas basadas en la luz, construir objetos 3-D capa por capa. Esto conduce a un efecto de "escalón" a lo largo de los bordes. También tienen dificultades para crear objetos flexibles porque los materiales flexibles podrían deformarse durante el proceso de impresión. y se requieren soportes para imprimir objetos de determinadas formas, como arcos.

La nueva impresora se basa en un líquido viscoso que reacciona para formar un sólido cuando se expone a un cierto umbral de luz. Proyectar patrones de luz cuidadosamente elaborados, esencialmente "películas", en un cilindro giratorio de líquido solidifica la forma deseada "de una vez".

"Básicamente, tienes un proyector de video listo para usar, que literalmente traje de casa, y luego lo conecta a una computadora portátil y lo usa para proyectar una serie de imágenes computadas, mientras un motor hace girar un cilindro que tiene una resina de impresión 3-D en él, "Dijo Taylor." Obviamente hay muchas sutilezas en ello:cómo se formula la resina, y, sobre todo, cómo calcula las imágenes que se van a proyectar, pero la barrera para crear una versión muy simple de esta herramienta no es tan alta ".

Taylor y el equipo utilizaron la impresora para crear una serie de objetos, desde un modelo diminuto de la estatua de "El Pensador" de Rodin hasta un modelo personalizado de mandíbula. En la actualidad, pueden fabricar objetos de hasta diez centímetros de diámetro.

"Este es el primer caso en el que no es necesario crear piezas 3D personalizadas capa por capa, "dijo Brett Kelly, co-primer autor del artículo que completó el trabajo mientras era estudiante de posgrado y trabajaba conjuntamente en UC Berkeley y Lawrence Livermore National Laboratory. "Hace que la impresión 3D sea verdaderamente tridimensional".

Una tomografía computarizada, al revés

La nueva impresora se inspiró en la tomografía computarizada (TC) que puede ayudar a los médicos a localizar tumores y fracturas dentro del cuerpo.

Las tomografías computarizadas proyectan rayos X u otros tipos de radiación electromagnética en el cuerpo desde todos los ángulos diferentes. El análisis de los patrones de energía transmitida revela la geometría del objeto.

"Básicamente, invertimos ese principio, ", Dijo Taylor." Estamos tratando de crear un objeto en lugar de medir un objeto, pero, en realidad, gran parte de la teoría subyacente que nos permite hacer esto puede traducirse de la teoría que subyace a la tomografía computarizada ".

Además de modelar la luz, que requiere cálculos complejos para obtener las formas e intensidades exactas correctas, El otro gran desafío al que se enfrentaron los investigadores fue cómo formular un material que permanezca líquido cuando se expone a un poco de luz. pero reacciona para formar un sólido cuando se expone a mucha luz.

"El líquido que no desea curar es sin duda el que lo atraviesen rayos de luz, por lo que debe haber un umbral de exposición a la luz para esta transición de líquido a sólido, "Dijo Taylor.

La resina de impresión 3D está compuesta de polímeros líquidos mezclados con moléculas fotosensibles y oxígeno disuelto. La luz activa el compuesto fotosensible que agota el oxígeno. Sólo en aquellas regiones tridimensionales donde se ha agotado todo el oxígeno, los polímeros forman los "enlaces cruzados" que transforman la resina de un líquido a un sólido. La resina no utilizada se puede reciclar calentándola en una atmósfera de oxígeno, Taylor dijo.

"Nuestra técnica casi no genera desperdicio de material y el material sin curar es 100% reutilizable, "dijo Hossein Heidari, estudiante de posgrado en el laboratorio de Taylor en UC Berkeley y co-primer autor del trabajo. "Esta es otra ventaja que viene con la impresión 3D sin soporte".

Los objetos tampoco tienen que ser transparentes. Los investigadores imprimieron objetos que parecen ser opacos usando un tinte que transmite luz en la longitud de onda de curado pero absorbe la mayoría de las otras longitudes de onda.

"Esto es particularmente satisfactorio para mí, porque crea un nuevo marco de impresión tridimensional volumétrica o 'todo a la vez' que hemos comenzado a establecer en los últimos años, "dijo Maxim Shusteff, un ingeniero de planta en el laboratorio de Livermore. "Esperamos que esto abra el camino para que muchos otros investigadores exploren esta apasionante área tecnológica".