¿Qué es la impresión 4D, y cómo influirá en las técnicas de fabricación?

En abril de 2013, Skylar Tibbits, fundador del Laboratorio de autoensamblaje MIT, organizó una conferencia TEDx que revolucionó el mercado de la impresión 3D: por primera vez, se agregaba una cuarta dimensión a esta tecnología que ya ha revolucionado muchos sectores. Pero… ¿Qué es la impresión 4D? , Skylar explicó que es posible agregar a un material de impresión 3D una nueva característica: la capacidad de transformarse a través del tiempo. El material podría cambiar de forma por sí mismo, sin intervención humana, sino simplemente por el efecto de un factor externo como la luz, el calor, la vibración, etc.

Desde entonces, la impresión 4D ha sido de interés para muchas industrias que ven un gran potencial para personalizar dispositivos y estructuras. Según el informe Gartner 2019, el interés en la impresión 4D está creciendo: para 2023, las nuevas empresas que se centrarán en esta tecnología deberán atraer $ 300 millones en capital de riesgo. Entonces, inevitablemente, frente a esta observación, uno se pregunta cuál será el futuro de la impresión 4D; ¿Puede reemplazar la fabricación aditiva? ¿Cuál será su impacto en la industria?

Impresión 4D

El objeto impreso en 4D está cambiando gradualmente de forma (créditos: Self-Assembly Lab)

¿Qué es la impresión 4D y cómo funciona?

La impresión 4D está fuertemente inspirada en el principio del autoensamblaje, que no es un concepto nuevo; probablemente hayas escuchado sobre el autoensamblaje molecular en el que forman estructuras complejas sin intervención humana. Es un concepto que también se usa mucho en nanotecnología. Entonces, para responder a la preguntas sobre qué es la impresión 4D, se debe aclarar que lleva este principio a la escala más grande, ya que es posible que estructuras pequeñas a escala microscópica se ensamblen por sí mismas, ¿por qué no imaginarlo en objetos impresos en 3D más grandes?

Mientras que la impresión 3D produce objetos que conservan su forma fija, la impresión 4D cambia sus formas, pero también sus colores, su tamaño, la forma en que se mueven, etc. Utiliza materiales ya conocidos en la industria llamados materiales «inteligentes» que pueden ser programados para cambiar de forma bajo el efecto de un factor externo, más a menudo la temperatura, como un ordenador que obedece a un código. Por lo tanto, este código se agrega al material que proporciona instrucciones para la pieza impresa. Bastien E. Rapp, presidente del laboratorio de tecnología de procesos NeptunLab, explica: «La impresión 4D es la forma funcional de la impresión 3D. En lugar de imprimir solo estructuras físicas, ahora podemos imprimir funciones. Es como incorporar un fragmento de código en un material: una vez activado, logra hacer lo que has programado. «

Materiales y tecnologías de impresión 4D

Los materiales de impresión 4D no son tan variados como los de la fabricación aditiva porque la tecnología aún está dando sus primeros pasos, pero es importante señalar que existen diferentes. Comencemos con los polímeros con memoria de forma (PMF), que son materiales capaces de memorizar una forma macroscópica, preservarla durante cierto tiempo y volver a su forma original bajo el efecto del calor, sin ninguna deformación residual. Otros estímulos indirectos también pueden causar la transformación: un campo magnético, eléctrico o de inmersión en agua.

Otro material de impresión 4D son los elastómeros de cristal líquido (LCE), que, como su nombre lo indica, contienen cristales líquidos que son sensibles al calor. Al controlar su orientación, se puede programar la forma deseada: bajo el efecto de la temperatura, el material se relajará y transformará de acuerdo con el código dictado. Tercer material: hidrogeles, estas son cadenas de polímeros hechas principalmente de agua, particularmente usadas en procesos de fotopolimerización. Estos últimos están centrados ​​en el sector médico debido a su biocompatibilidad.

Algunos procesos de impresión 4D usan materiales múltiples: son principalmente compuestos (madera, carbono, etc.) que se agregan a PMF o hidrogeles. El laboratorio de autoensamblaje MIT comenzó su investigación en impresión 4D desde una máquina Connex de Stratasys, basada en la tecnología binder jetting, un proceso de múltiples materiales. Por supuesto, hay otros materiales de impresión 4D, como la cerámica, por ejemplo, pero decidimos mencionar únicamente los que se están utilizando más actualmente.

Créditos: Self-Assembly Lab

Finalmente, todo el proceso de impresión 4D reside en el material: es necesario comprender cómo reaccionará ante cierto estímulo. Bastien dice que «se necesita una muy buena ciencia de los materiales para facilitar la impresión 4D. Una vez que esté bien integrado, podemos usar diferentes tecnologías de impresión 3D: estereolitografía, binder jetting (para todos los materiales múltiples), deposición de material fundido: trabajaremos aquí con polímeros. Con mayor frecuencia, la impresora utilizada es una máquina 3D mejorada capaz de tener en cuenta nuestra cuarta dimensión. Bastien continúa: «Dependiendo de la complejidad de su cuarta dimensión, puede ser tan fácil como imprimir dos materiales en paralelo. También puede implicar calentar o enfriar el material durante el proceso de fabricación. Hay muchos métodos que implican condiciones especiales «.

Aplicaciones tecnológicas de la impresión 4D

Dado que es posible programar un material inteligente como se desee, parecería que las aplicaciones de la impresión 4D son bastante grandes. Imagina un objeto que puede tomar cualquier forma: la tecnología puede afectar al sector de la construcción para erigir estructuras adaptadas a las condiciones climáticas, bienes de consumo que se ajusten a la morfología de cada uno, medicamentos, etc. . Una de las primeras ideas de Skylar Tibbits fue utilizar la impresión 4D para hacer tuberías inteligentes: cambiarían de forma según el volumen de agua que contengan, pero también cuando ocurriera cualquier fenómeno bajo tierra. Esto evitaría desenterrarlos y cambiarlos, un proceso lento y, sobre todo, muy costoso.

Uno de los sectores más interesados ​​en la impresión 4D es, sin duda, la medicina: ofrece la posibilidad de crear dispositivos a medida, inteligentes y en evolución. Por ejemplo, al imprimir un implante 4D, podría controlar más fácilmente su estado y viabilidad una vez integrado por el paciente. Es lo mismo para toda medicina regenerativa y la fabricación de estructuras celulares. La impresión 4D permitiría a las células adaptarse al cuerpo humano dependiendo de su temperatura, por ejemplo, Chloé Devillard, quien actualmente está preparando su tesis en 3d.FAB, explicó: «Estamos trabajando con la impresión 4D para aplicaciones en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa para reparar la vida. La utilizo para reproducir un vaso sanguíneo más cercano a la realidad fisiológica, funcional y mecánicamente. Podemos crear las construcciones más parecidas posibles de los vivos. «

3d.Fab trabaja actualmente con proyectos de impresión 4D para crear vasos sanguíneos (créditos: 3d.Fab)

Finalmente, imagina un medicamento impreso en 4D que podría liberar su sustancia dependiendo de la temperatura del cuerpo del paciente. Esta es una de las investigaciones del Dr. Fang en el MIT que explica: «Queremos utilizar la temperatura corporal como desencadenante. Si podemos diseñar los polímeros adecuadamente, podremos crear un dispositivo de administración de medicamentos que solo libere el medicamento si se produce fiebre. «

El sector del transporte en general también está interesado en la impresión 4D, ya sea en el sector de la automoción o en el de la aviación. Hace algunos meses, BMW y el MIT presentaron su material inflable, cambiando de forma y tamaño bajo el efecto de pulsos de aire. Un material interesante para diseñar neumáticos en el futuro, por ejemplo, capaz de auto repararse en caso de pinchazo o adaptarse a las condiciones climáticas más extremas. Más allá de los automóviles, también podemos hablar de aviones: un componente impreso en 4D podría reaccionar a la presión atmosférica o los cambios de temperatura y, por lo tanto, cambiar su función: Airbus actualmente trabajar en estos desarrollos. El gigante aeroespacial explica que estos componentes podrían reemplazar las bisagras, los actuadores hidráulicos y así aligerar significativamente los dispositivos.

Imagina un taburete que se pliega y se despliega (créditos: Self-Assembly Lab)

Finalmente, la impresión 4D es más que interesante para todas las aplicaciones que requieren un alto grado de personalización: dado que es posible programar el material de acuerdo con nuestras necesidades, el objeto impreso necesariamente se encontrará en un momento dado. Un punto clave para todos los bienes de consumo: imagina ropa que tome la forma real de nuestro cuerpo, muebles que se doblan y se despliegan para ahorrar espacio, etc.

El futuro de la impresión 4D

Aunque llena de promesas, la tecnología aún deja muchas limitaciones: ¿cuál es la resistencia real de los materiales inteligentes a lo largo del tiempo? ¿Seguirán siendo capaces de cumplir sus funciones después de los años? Muchas compañías todavía están probando este proceso de fabricación y pocas han presentado sus resultados. Bastien E. Rapp nos explicó que la impresión 4D implica una cierta cantidad de conocimiento muy técnico y exigente que no lo democratizará tanto como la fabricación aditiva. «Como este es un tema bastante complejo que requiere muy buen material y control de fabricación, es posible que no esté tan ampliamente disponible y accesible como la impresión 3D en sí misma. Pero esto tendrá un impacto significativo en la industria. Pasarán algunos años más antes de que esta tecnología inunde el mercado.

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