Nuevo método de impresión 3D permite diseños complejos con menos residuos

Ingenieros del MIT han desarrollado una técnica para hacer estructuras intrincadas con soportes que se pueden disolver y reutilizar en lugar de deshechar

Los audífonos, protectores bucales, implantes dentales y otras estructuras altamente personalizadas suelen ser productos de la impresión 3D. Estas estructuras se hacen típicamente a través de fotopolimerización de vantes, una forma de impresión 3D que utiliza patrones de luz para dar forma y solidificar una resina, una capa a la vez.

El proceso también implica la impresión de soportes estructurales del mismo material para mantener el producto en su lugar tal como impreso. Una vez que un producto está completamente formado, los soportes se eliminan manualmente y típicamente tirados como residuos inutilizables.

 

 

 

Foto de Wilhelm Gunkel en Unsplash

 

Los ingenieros del MIT han encontrado la manera de sortear este último paso de finalización, de una manera que podría acelerar significativamente el proceso de impresión 3D. Desarrollaron una resina que se convierte en dos tipos diferentes de sólidos, dependiendo del tipo de luz que brilla en él: la luz ultravioleta cura la resina en un sólido altamente resistente, mientras que la luz visible convierte la misma resina en un sólido que se resuelve fácilmente en ciertos disolventes.

 

El equipo expuso la nueva resina simultáneamente a patrones de luz UV para formar una estructura robusta, así como patrones de luz visible para formar los soportes de la estructura. En lugar de tener que romper cuidadosamente los soportes, simplemente sumergieron el material impreso en una solución que disolvió los soportes, revelando la parte robusta, impresa en UV.

 

Los soportes pueden disolverse en una variedad de soluciones seguras para los alimentos, incluyendo aceite para bebés. Curiosamente, los soportes podrían incluso disolverse en el ingrediente líquido principal de la resina original, como un cubo de hielo en agua. Esto significa que el material utilizado para imprimir soportes estructurales podría ser reciclado continuamente: Una vez que un material de soporte de la estructura impresa se disuelve, esa mezcla se puede mezclar directamente en resina fresca y se utiliza para imprimir el siguiente conjunto de piezas - junto con sus soportes disueltos.

 

Los investigadores aplicaron el nuevo método para imprimir estructuras complejas, incluyendo trenes de engranajes funcionales y intrincadas celosías. Engranajes impresos en 3D pequeños que utilizan su nueva resina, se mueven como engranajes típicos de otro material.

 

Ahora puedes imprimir en una sola impresión varias, ensamblajes funcionales con partes móviles o entrelazadas, y básicamente puedes lavar los apoyos, dice el estudiante graduado Nicholas Diaco. En lugar de tirar este material, puedes reciclarlo en el sitio y generar mucho menos desperdicio. Esa es la última esperanza.

El y sus colegas informan de los detalles del nuevo método en un artículo que aparece hoy en Advanced Materials Technologies. Los coautores del estudio del MIT incluyen a Carl Thrasher, Max Hughes, Kevin Zhou, Michael Durso, Saechow Yap, el profesor Robert Macfarlane y el profesor A. John Hart, jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

 

Eliminación de residuos

La fotopolimerización convencional (VP) comienza con un modelo de computadora 3D de una estructura que se imprimirá, por ejemplo, de dos engranajes entrelazados. Junto con los propios engranajes, el modelo incluye pequeñas estructuras de soporte alrededor, en línea y entre los engranajes para mantener todas las características en su lugar a medida que se imprime la pieza. Este modelo de computadora se corta en muchas capas digitales que se envían a una impresora de vicepresidente para imprimir.

Una impresora VP estándar incluye una pequeña vara de resina líquida que se asienta sobre una fuente de luz. Cada rebanada del modelo se traduce en un patrón de luz que se proyecta sobre la resina líquida, que se solidifica en el mismo patrón. Capa por capa, una versión sólida y ligeramente impresa de los engranajes del modelo y soporta formas en la plataforma de compilación. Cuando se termina la impresión, la plataforma eleva la parte completada sobre el baño de resina. Una vez que se lava el exceso de resina, una persona puede entrar a mano para quitar los soportes del intermediario, generalmente cortando y archivando, y el material de apoyo se desecha finalmente.

En su mayor parte, estos soportes terminan generando muchos residuos, dice Diaco.

 

Impresión y chapuzón

Diaco y el equipo buscaron la manera de simplificar y acelerar la eliminación de soportes impresos e, idealmente, reciclarlos en el proceso. Se les ocurrió un concepto general para una resina que, dependiendo del tipo de luz a la que esté expuesto, puede tomar una de dos fases: una fase resistente que formaría la estructura 3D deseada y una fase secundaria que funcionaría como un material de apoyo pero también se disolvería fácilmente.

Después de hacer ejercicio de cierta química, el equipo encontró que podían hacer una resina en dos fases mezclando dos monómeros disponibles comercialmente, los bloques de construcción químicos que se encuentran en muchos tipos de plástico. Cuando la luz ultravioleta brilla sobre la mezcla, los monómeros se unen en una red estrechamente interconectada, formando un sólido duro que se resiste a la disolución. Cuando la misma mezcla está expuesta a la luz visible, los mismos monómeros todavía curan, pero a escala molecular las hebras de monómero resultantes permanecen separadas unas de otras. Este sólido puede disolverse rápidamente cuando se coloca en ciertas soluciones.

 

En las pruebas de benchtop con pequeños viales de la nueva resina, los investigadores encontraron que el material se transformó tanto en las formas insolubles como solubles en respuesta a la luz ultravioleta y visible, respectivamente. Pero cuando se mudaron a una impresora 3D con LEDs más tenues que la configuración de la encimera, el material curado UV se vino abajo en la solución. La luz más débil sólo unía parcialmente las hebras del monómero, dejándolas demasiado sueltas para mantener la estructura unida.

 

Diaco y sus colegas encontraron que añadir una pequeña cantidad de un tercer monómero podría unir a los dos monómeros originales bajo la luz UV, tejiéndolos en un marco mucho más resistente. Esta solución permitió a los investigadores imprimir simultáneamente estructuras 3D retenidas y soportes disueltos utilizando pulsos cronometrados de luz UV y visible en una sola carrera.

 

El equipo aplicó el nuevo método para imprimir una variedad de estructuras intrincadas, incluyendo engranajes entrelazados, lazo intrincados, una bola dentro de un marco cuadrado, y, para la diversión, un pequeño dinosur encerrado en un soporte en forma de huevo que se disuelve cuando se sumerge en solución.

Con todas estas estructuras, necesitas una celosía de soportes dentro y fuera mientras se imprimen, dice Diaco. Eliminarlos normalmente requiere una retirada manual y cuidadosa. Esto demuestra que podemos imprimir conjuntos multipartes con una gran cantidad de partes móviles, y productos detallados y personalizados como audífonos e implantes dentales, de una manera que sea rápido y sostenible.

 

Well continuará estudiando los límites de este proceso, y queremos desarrollar resinas adicionales con este comportamiento selectivo de longitud de onda y propiedades mecánicas necesarias para productos duraderos, dice el profesor de ingeniería mecánica John Hart. Junto con el manejo automatizado de piezas y la reutilización de la resina disuelta, este es un camino emocionante para la impresión 3D de polímero eficiente en el uso eficiente del uso de los recursos y rentable a escala.

 

Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Centro de Inteligencia Perceptual e Interactiva (InnoHK) en Hong Kong, Estados Unidos. Fundación Nacional de Ciencias, los EE. Oficina de Investigación Naval, y EE. Oficina de Investigación del Ejército.

 

Fuente: https://news.mit.edu

 

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