Imagine un futuro en el que pueda imprimir en 3D un robot completo o un dispositivo médico electrónico elástico con solo presionar un botón, sin tediosas horas dedicadas a ensamblar piezas a mano.

Esa posibilidad puede estar más cerca que nunca gracias a un avance reciente en la tecnología de impresión 3D liderado por ingenieros de CU Boulder. En un nuevo estudio, el equipo presenta una estrategia para usar las impresoras disponibles actualmente para crear materiales que fusionen componentes sólidos y líquidos, una hazaña difícil si no desea que su robot colapse.

"Creo que hay un futuro en el que podríamos, por ejemplo, fabricar un sistema completo como un robot usando este proceso", dijo Robert MacCurdy, autor principal del estudio y profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de Paul M. Rady.

MacCurdy, junto con los estudiantes de doctorado Brandon Hayes y Travis Hainsworth, publicaron sus resultados el 14 de abril en la revista Additive Manufacturing. .

Las impresoras 3D han sido durante mucho tiempo la provincia de aficionados e investigadores que trabajan en laboratorios. Son bastante buenos para fabricar dinosaurios de plástico o piezas individuales para máquinas, como engranajes o articulaciones. Pero MacCurdy cree que pueden hacer mucho más:al mezclar sólidos y líquidos, las impresoras 3D podrían producir dispositivos que sean más flexibles, dinámicos y potencialmente más útiles. Incluyen dispositivos electrónicos portátiles con cables hechos de líquido contenido dentro de sustratos sólidos, o incluso modelos que imitan la blandura de los órganos humanos reales.

El ingeniero compara el avance con las impresoras tradicionales que imprimen en color, no solo en blanco y negro.

"Las impresoras a color combinan una pequeña cantidad de colores primarios para crear una rica gama de imágenes", dijo MaCurdy. "Lo mismo ocurre con los materiales. Si tiene una impresora que puede utilizar varios tipos de materiales, puede combinarlos de nuevas formas y crear una gama mucho más amplia de propiedades mecánicas".

Espacio vacío

Para comprender esas propiedades, es útil comparar las impresoras 3D con las impresoras normales de su oficina. Las impresoras de papel crean una imagen depositando tintas líquidas en miles de píxeles planos. Las impresoras 3D de inyección de tinta, por el contrario, usan un cabezal de impresión para dejar caer pequeñas gotas de líquido, llamadas "vóxeles" (una combinación de "volumen" y "píxel"), una encima de la otra.

"Muy poco después de que esas gotas se depositan, se exponen a una luz ultravioleta brillante", dijo MacCurdy. "Los líquidos curables se convierten en sólidos en un segundo o menos".

Pero, agregó, hay muchos casos en los que es posible que desee que esos líquidos permanezcan líquidos. Algunos ingenieros, por ejemplo, usan líquidos o ceras para crear pequeños canales dentro de sus materiales sólidos, que luego vacían en un momento posterior. Es un poco como las gotas de agua pueden excavar una caverna subterránea.

Los ingenieros han ideado formas de hacer ese tipo de espacios vacíos en piezas impresas en 3D, pero normalmente se necesita mucho tiempo y esfuerzo para limpiarlos. Los canales también tienen que ser relativamente simples.

MacCurdy y sus colegas decidieron encontrar una forma de evitar esas limitaciones:comprender mejor las condiciones que permitirían a los ingenieros imprimir materiales sólidos y líquidos al mismo tiempo.

Coraje líquido

Los investigadores primero diseñaron una serie de simulaciones por computadora que probaron la física de imprimir diferentes tipos de materiales uno al lado del otro. Uno de los grandes problemas, dijo MacCurdy, es:"¿Cómo se puede evitar que las gotas de materiales sólidos se mezclen con los materiales líquidos, incluso cuando las gotas de material sólido se imprimen directamente sobre las gotas de líquido?"

El equipo estableció un conjunto de reglas para ayudarlos a hacer precisamente eso.

"Descubrimos que la tensión superficial de un líquido se puede usar para soportar material sólido, pero es útil elegir un material líquido que sea más denso que el material sólido, la misma física que permite que el petróleo flote sobre el agua". dijo Hayes.

A continuación, los investigadores experimentaron con una impresora 3D real en el laboratorio. Cargaron la impresora con un polímero curable o plástico (el sólido) y con una solución de limpieza estándar (el líquido). Sus creaciones fueron impresionantes:el grupo pudo imprimir en 3D bucles retorcidos de líquido y una red compleja de canales no muy diferentes a las vías de ramificación en un pulmón humano.

"Ambas estructuras habrían sido casi imposibles de hacer con enfoques anteriores", dijo Hainsworth.

MacCurdy también se unió recientemente a un equipo de investigadores de CU Boulder y CU Anschutz Medical Campus que están desarrollando formas de imprimir en 3D modelos realistas de tejido humano. Los médicos podrían usar estos modelos para practicar procedimientos y hacer diagnósticos. El proyecto empleará el enfoque líquido-sólido de MacCurdy, entre otras herramientas.

"Esperamos que nuestros resultados hagan que la impresión 3D de inyección de tinta de múltiples materiales utilizando líquidos y sólidos sea más accesible para los investigadores y entusiastas de todo el mundo", dijo.