Guía completa: Direct Ink Writing o escritura directa con tinta, ¡te explicamos todo!

La escritura directa con tinta (DIW) es una técnica de fabricación aditiva basada en la extrusión, en la que la tinta se extruye a través de una boquilla fina que sigue una trayectoria definida digitalmente para construir una estructura tridimensional capa por capa. Una de las características clave de esta técnica es su capacidad para imprimir tintas personalizables a mesoescala y microescala (esencialmente, no en proyectos a gran escala). La tecnología fue patentada por primera vez en 1997 por Joe Cesarano y Paul Calvert en el Laboratorio Nacional Sandia, donde la desarrollaron como una técnica para imprimir estructuras cerámicas complejas. Desde entonces, la DIW se ha aplicado ampliamente en una serie de estudios y procesos de fabricación más allá de la cerámica. Se ha utilizado principalmente en laboratorios de investigación para la fabricación y la creación de prototipos a pequeña escala, pero la técnica tiene el potencial de crear piezas eficientes de calidad industrial. A continuación, analizaremos más detenidamente el proceso, los materiales y las aplicaciones que hay detrás de la DIW, destacando sus ventajas y limitaciones.

¿Cómo funciona la escritura directa con tinta? Procesos y materiales

Por lo general, el proceso fundamental de la DIW es el mismo que el de cualquier proceso de impresión 3D. Los usuarios necesitan un modelo 3D creado mediante un software de diseño asistido por ordenador (CAD) y un archivo de trayectoria de movimiento de un software de corte. La DIW puede procesar casi cualquier material, siempre que la tinta presente el comportamiento reológico adecuado, es decir, una tensión de fluencia apropiada bajo cizallamiento y compresión, junto con propiedades viscoelásticas adecuadas. Como resultado, la DIW permite imprimir una amplia gama de tintas en estructuras 3D complejas con patrones de alta resolución, flexibilidad arquitectónica y características de materiales personalizadas. Esto la diferencia de otras tecnologías de fabricación aditiva como FDM y SLA, que están limitadas por la clase de material. Además, DIW es versátil debido a su capacidad para utilizar múltiples boquillas para crear estructuras multimateriales.

Esquema del proceso Direct Ink Writing. Créditos de la foto: Sandia National Laboratory

En DIW, la presión aplicada fuerza las tintas líquidas a través de una boquilla, y esta presión puede alterar la viscosidad de la tinta. Esta es una diferencia clave de DIW: en lugar de utilizar calor, DIW imprime tintas a temperatura ambiente, lo que significa que las propiedades reológicas de la tinta son fundamentales. Después de salir de la boquilla y antes de la deposición final, la tinta no está completamente en reposo. Más bien, el material se dobla y se estira dependiendo de la relación entre la velocidad de extrusión y la velocidad de los movimientos del cabezal de impresión. Una vez depositada, la tinta se solidifica de forma natural o mediante procesos externos como la evaporación, los cambios de fase, el tratamiento térmico o la gelificación.

Los investigadores han experimentado con muchos tipos de materiales para la DIW, incluidos polímeros, cerámicas, cemento, grafeno, vidrio, ceras, hidrogeles, aleaciones y metales puros, e incluso alimentos. Sin embargo, estos materiales deben procesarse para convertirlos en tintas viscoelásticas a base de gel que posean un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento. La viscosidad típica de una tinta DIW se sitúa entre 102 y 106 milipascales s a una velocidad de cizallamiento de aproximadamente 0,1 s-1. Esto significa que, bajo tensión de cizallamiento, la viscosidad disminuye, lo que hace que la tinta sea imprimible mediante DIW. A continuación, dependiendo del material y la aplicación, se seguirán diferentes pasos de posprocesamiento.

Ventajas y desventajas del proceso DIW

Como se mencionó antes, el proceso destaca por su capacidad para procesar una amplia gama de materiales, pues mientras se cumpla con la reología correcta, los límites de lo que se puede imprimir se difuminan. Esta es sin duda la cualidad que la diferencia de otras técnicas de impresión. Sin embargo, esta misma característica implica que cualquier material nuevo debe formularse cuidadosamente para cumplir requisitos reológicos estrictos, lo que puede ralentizar la adopción de nuevos sistemas.

El proceso también ofrece la posibilidad de extruir a temperatura ambiente. Un aspecto conveniente cuando se trabaja con compuestos sensibles al calor y que además ayuda a superar las restricciones de otros métodos de extrusión, que dependen de temperaturas elevadas. Aun así, la impresión continúa siendo relativamente lenta y la calidad de la interfaz entre capas se ve comprometida cuando se intenta aumentar la velocidad. Como consecuencia existe un equilibrio difícil entre eficiencia y desempeño estructural.

Créditos de la foto: Lincoln Laboratory

DIW también ofrece una amplia libertad en cuanto a la configuración del sistema, ya que puede modificarse con componentes asequibles y adaptarse a diferentes aplicaciones con facilidad. Pero, aunque esta flexibilidad del hardware es notable, la técnica continúa limitada principalmente a la fabricación a pequeña escala y a entornos de investigación, pues su ritmo de producción y resolución no alcanzan los estándares necesarios para procesos industriales de alto volumen.

Otro elemento atractivo del proceso es su capacidad para generar geometrías complejas, desde estructuras auto soportadas hasta trazos freeform que no requieren moldes ni soportes adicionales. No obstante, cuando se busca crecer en sentido vertical o producir voladizos largos, el peso de la propia pieza puede provocar deformaciones o fallos, especialmente en estructuras de tamaño grande.

Aplicaciones clave

Dada la amplia gama de materiales para DIW, la técnica tiene una amplia gama de aplicaciones. Algunas de las más comunes son el almacenamiento de energía, los dispositivos ópticos y fotónicos, y la ingeniería biomédica y de tejidos.

En el caso del almacenamiento de energía, la DIW se ha utilizado para fabricar dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica (EES), como baterías de ionen litio y supercondensadores. La DIW puede crear estructuras a escala micro/nano que ofrecen un rendimiento electroquímico excepcional al permitir que los electrones y los iones se muevan a través de la estructura porosa con mayor eficiencia. La tecnología puede utilizarse para crear dispositivos con alta conductividad y una superficie específica muy elevada, lo que resulta especialmente deseable para los componentes y dispositivos electrónicos.

El proceso DIW se usa sobre todo en investigación para la fabricación y el prototipado a pequeña escala. (Créditos de la foto: Virginia Tech).

En el campo de la medicina, los investigadores han creado andamios biodegradables, elastómeros elásticos con memoria de forma y autorreparación, robótica blanda, dispositivos portátiles y mucho más. Una de las aplicaciones más prometedoras de la DIW es el uso de hidrogeles para emular tejidos biológicos. Muchos hidrogeles son biocompatibles, lo que los hace adecuados para interactuar con células y tejidos vivos. Los hidrogeles también pueden contener moléculas bioactivas, factores de crecimiento, fármacos o incluso células vivas, lo que los hace capaces de administrar fármacos de forma selectiva o regenerar tejidos. Gracias a la precisión que garantiza la DIW, la tecnología también se puede utilizar para crear dispositivos de órganos en un chip y sistemas microfluídicos. Al replicar los microentornos de los tejidos, estas estructuras pueden facilitar el estudio de las respuestas a los fármacos y la progresión de las enfermedades de forma controlada y reproducible.

Más allá de las aplicaciones médicas y eléctricas, la DIW se ha utilizado para todo tipo de aplicaciones, desde la robótica blanda hasta la ingeniería alimentaria y estructural.

Fabricantes y precios

A diferencia de otras tecnologías consolidades de la fabricación aditiva, el ecosistema de la escritura directa de tinta (DIW) está marcado por una combinación de empresas emergentes y plataformas creadas en entornos académicos. Entre los fabricantes más destacados podemos mencionar a Avay, una empresa de la India, cuyas máquinas están orientadas a la deposición de tintas conductoras y otros materiales aislantes. La empresa polaca Sygnis ofrece sistemas para la investigación de materiales y para la electrónica flexible y robótica. Una de sus impresoras más populares, la SYGNIS F-NIS, tiene un rango de precio entre 10,759 y 13,350 dólares. Otra marca que destaca es MakerPi. Esta empresa china ofrece impresoras enfocadas en la impresión multimaterial con bioinks y geles para laboratorios biomédicos y tienen un precio aproximado de 68,526 dólares.

Junto a estos fabricantes, existen plataformas de bajo costo y código abierto como Printess, pensadas para democratizar la impresión DIW y emplearlas en la bioimpresión, robótica blanda o proyectos educativos. A su vez, la startup española PowerDIW, spin-off del centro tecnológico CIM UPC, ha desarrollado la plataforma PowerDIW, un sistema híbrido diseñado para cerámicas, polímeros y materiales funcionales dentro de proyectos de I+D avanzada. Dado que no existe un precio público para este sistema, es necesario contactar directamente con el fabricante.

La plataforma de escritura directa con tinta de Power DIW. (Créditos de la foto: Power DIW).

De forma general, las impresoras DIW destacan por su bajo costo relativo y la simplicidad de sus mecanismos de extrusión en comparación con otras tecnologías 3D más complejas. Además de los fabricantes que hemos mencionado en este apartado, es necesario tener en cuenta que la mayoría de los sistemas de escritura directa de tinta se desarrollan de acuerdo con lo que se quiere lograr. Es decir que cada centro de investigación o laboratorio crea o personaliza su plataforma a su conveniencia. Esto explica por qué no existen tantas marcas como sucede con otras tecnologías.

¿Qué opinas de la escritura directa con tinta? Deja tus comentarios en nuestras redes sociales: Facebook, LinkedIn y Youtube. Sigue toda la información sobre impresión 3D en nuestra Newsletter semanal.

*Créditos de la foto de portada: Voltera