Las impresoras 3-D están revolucionando la fabricación al permitir a los usuarios crear cualquier forma física que puedan imaginar bajo demanda. Sin embargo, la mayoría de las impresoras comerciales solo pueden construir objetos de un solo material a la vez y las impresoras de inyección de tinta que son capaces de imprimir multimaterial están limitadas por la física de la formación de gotas. La impresión 3-D basada en extrusión permite imprimir una amplia paleta de materiales, pero el proceso es extremadamente lento. Por ejemplo, Se necesitarían aproximadamente 10 días para construir un objeto 3-D de aproximadamente un litro de volumen con la resolución de un cabello humano y una velocidad de impresión de 10 cm / s con una sola boquilla. cabezal de impresión de un solo material. Para construir el mismo objeto en menos de 1 día, ¡sería necesario implementar un cabezal de impresión con 16 boquillas que impriman simultáneamente!

Ahora, una nueva técnica llamada impresión 3D multimaterial multinozzle 3-D (MM3D) desarrollada en el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) utiliza válvulas de presión de alta velocidad para lograr resultados rápidos, continuo, y cambio perfecto entre hasta ocho materiales de impresión diferentes, permitiendo la creación de formas complejas en una fracción del tiempo que se requiere actualmente utilizando cabezales de impresión que van desde una sola boquilla hasta grandes conjuntos de boquillas múltiples. Estos cabezales de impresión 3D se fabrican mediante impresión 3D, permitiendo su rápida personalización y facilitando la adopción por parte de otros miembros de la comunidad de fabricación. Cada boquilla es capaz de cambiar de material hasta 50 veces por segundo, que es más rápido de lo que el ojo puede ver, o tan rápido como un colibrí bate sus alas. La investigación se informa en Naturaleza .

"Al imprimir un objeto con una impresora 3D convencional basada en extrusión, el tiempo necesario para imprimirlo escala cúbicamente con la longitud del objeto, porque la boquilla de impresión tiene que moverse en tres dimensiones en lugar de solo una, "dijo el co-primer autor Mark Skylar-Scott, Doctor., un investigador asociado en el Instituto Wyss. "La combinación de MM3D de conjuntos de boquillas múltiples con la capacidad de cambiar entre varias tintas rápidamente elimina de manera efectiva el tiempo perdido para cambiar los cabezales de impresión y ayuda a reducir la ley de escala de cúbica a lineal, para que pueda imprimir multimaterial, objetos tridimensionales periódicos mucho más rápidamente ".

La clave para el rápido cambio de tinta de la impresión MM3D es una serie de uniones en forma de Y dentro del cabezal de impresión donde varios canales de tinta se unen en una sola boquilla de salida. La forma de la boquilla, presión de impresión, y la viscosidad de la tinta se calculan y ajustan con precisión para que cuando se aplique presión a uno de los "brazos" de la unión, la tinta que fluye hacia abajo a través de ese brazo no hace que la tinta estática en el otro brazo fluya hacia atrás, que evita que las tintas se mezclen y preserva la calidad del objeto impreso. Al operar los cabezales de impresión usando un banco de válvulas neumáticas rápidas, este comportamiento de flujo unidireccional permite el montaje rápido de filamentos multimaterial que fluyen continuamente desde cada boquilla, y permite la construcción de una pieza multimaterial 3D. La longitud de los canales de tinta también se puede ajustar para tener en cuenta los materiales que tienen diferentes viscosidades y tensiones de rendimiento. y por lo tanto fluyen más rápido o más lento que otras tintas.

"Debido a que la impresión MM3D puede producir objetos con tanta rapidez, se pueden utilizar materiales reactivos cuyas propiedades cambian con el tiempo, como epoxis, siliconas, poliuretanos, o tintas biológicas, "dijo el co-primer autor Jochen Mueller, Doctor., becario de investigación en el Instituto Wyss y SEAS. "También se pueden integrar fácilmente materiales con propiedades dispares para crear arquitecturas tipo origami o robots blandos que contienen elementos rígidos y flexibles".

Para demostrar su técnica, los investigadores imprimieron una estructura de origami Miura compuesta de secciones rígidas de "panel" conectadas por secciones de "bisagra" altamente flexibles. Los métodos anteriores para construir una estructura de este tipo requieren ensamblarlos manualmente en capas apiladas:el cabezal de impresión MM3D pudo imprimir todo el objeto en un solo paso utilizando ocho boquillas para extruir continuamente dos tintas epoxi alternas cuyas rigideces diferían en cuatro órdenes de magnitud después siendo curado. Las bisagras resistieron más de 1, 000 ciclos de plegado antes de fallar, indicando la alta calidad de las transiciones entre los materiales rígidos y flexibles logradas durante la impresión.

La impresión MM3D también se puede utilizar para crear objetos más complejos, incluidos los robots de accionamiento. El equipo de investigación diseñó e imprimió un robot blando compuesto de elastómeros rígidos y blandos en un patrón similar a un milpiés que incluía canales neumáticos incrustados que permiten que los "músculos" blandos se compriman secuencialmente mediante un vacío. haciendo que el robot "camine". El robot pudo moverse a casi media pulgada por segundo mientras transportaba una carga ocho veces su propio peso, y podría conectarse a otros robots para transportar cargas más pesadas.

"Este método permite el diseño y la fabricación rápidos de materia voxelada, que es un paradigma emergente en nuestro campo, "dijo la autora correspondiente Jennifer A. Lewis, Sc.D., quien es un miembro principal de la facultad en el Wyss Institute y el profesor Hansjörg Wyss de ingeniería de inspiración biológica en SEAS. "Utilizando nuestra amplia paleta de funciones, estructural, y tintas biológicas, Ahora se pueden integrar perfectamente materiales dispares en objetos impresos en 3D a pedido ".

En tono rimbombante, Los cabezales de impresión MM3D actuales solo pueden imprimir periódicamente (es decir, repitiendo) partes. Pero el equipo prevé que la impresión MM3D seguirá evolucionando, eventualmente con boquillas que pueden extruir diferentes tintas en diferentes momentos, boquillas más pequeñas para una mayor resolución, e incluso matrices más grandes para Impresión 3D en un solo paso en una amplia gama de escalas de tamaño y resolución. También están explorando el uso de tintas de sacrificio para crear formas aún más complejas.

"La impresión 3-D está revolucionando la industria manufacturera al permitir que las personas creen sin la necesidad de maquinaria y materias primas costosas, y este nuevo avance promete mejorar drásticamente el ritmo de la innovación en esta apasionante área, "dijo el director fundador de Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctor., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Escuela de Medicina de Harvard y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así como Profesor de Bioingeniería en SEAS.