Fabricación digital basada en soluciones de materiales compuestos de alto rendimiento

La naturaleza construye estructuras asombrosamente fuertes, versátiles y adaptativas, que crecen y funcionan en respuesta a su entorno; piensa en árboles, huesos y quitina. Esta última forma tanto los caparazones duros como las articulaciones flexibles de los crustáceos. Las construcciones de la naturaleza producen pocos o ningún residuo, requieren muy poca energía y se reciclan al final de su vida útil. En contraste, las construcciones humanas son típicamente prescriptivas, consumen grandes cantidades de energía, generan residuos tóxicos y mayormente no se reciclan. Según datos de 2018 de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., el porcentaje de materiales reciclados es solo del 9% para plásticos (sin cambios desde 2010), 25% para vidrio y 33% para metales (ambajos desde 2010). Aunque el diseño y la fabricación digital están avanzando rápidamente y permiten la producción de estructuras y componentes sofisticados y multifuncionales, estas tecnologías aún no han logrado los mismos avances en sostenibilidad.

Inspiración en la naturaleza

Esta fue la inspiración y objetivo del proyecto de Fabricación Digital Basada en Agua desarrollado por el Grupo Mediated Matter del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, Cambridge, Mass., EE. UU.) Media Lab, comenzando en 2013. Esta iniciativa desarrolló una novedosa tecnología de fabricación digital que combina los materiales naturales más abundantes de la Tierra con un sistema de extrusión multi-cámara controlado robóticamente que deposita concentraciones variables de soluciones biocompuestas (la primera fue quitina de caparazones de crustáceos y ácido acético) para crear estructuras con propiedades anisotrópicas. Gradientes en propiedades mecánicas, químicas y ópticas se producen a lo largo de escalas de longitud desde milímetros hasta metros, logrando no solo geometrías únicas y multifuncionalidad, sino también el potencial de autoensamblaje estructural. Por ejemplo, las deposiciones húmedas pueden diseñarse para formar formas (ej. cilindro) mientras se secan, en respuesta a tensiones de evaporación direccional dentro de los compuestos multicapa.

Esta fabricación digital basada en soluciones se concibió como un puente entre los entornos biológicos y construidos, con aplicaciones potenciales en paneles arquitectónicos sostenibles, embalajes reciclables y bienes de consumo o piezas de automóvil ligeras y biodegradables. El MIT eventualmente exploró compuestos usando microfibras de celulosa, pectina, algas y nanoplaquetas cerámicas. Pero, ¿qué pasaría si pudieras combinar esta deposición digital basada en agua con las tecnologías de extrusión aditiva reforzadas con fibra continua y corta que avanzan rápidamente en los compuestos impresos en 3D actuales?

¿Por qué solución de quitosano?

Los experimentos iniciales en el proyecto de Fabricación Digital Basada en Agua usaron quitosano, derivado de la quitina. El segundo polímero natural más abundante en la Tierra después de la celulosa, la quitina tiene una estructura química similar a la celulosa y comprende no solo los caparazones de crustáceos e insectos de alto módulo y tenacidad, sino también el tejido fuerte pero flexible encontrado en sus articulaciones. Los materiales naturales, especialmente polímeros y polisacáridos como la quitina y la celulosa, proporcionan un vasto recurso renovable producido a tasas mucho más altas que los polímeros sintéticos artificiales, explica Laia Mogas-Soldevila, una de las investigadoras clave del MIT en este proyecto. Ella afirma que los derivados de polisacáridos podrían reemplazar los polímeros basados en petroquímicos existentes, proporcionando nuevas combinaciones de propiedades y permitiendo una fabricación más sostenible.

Mogas-Soldevila ofrece una excelente visión general del desarrollo tecnológico del MIT en su tesis de 2015, "Diseño y fabricación digital basada en agua: exploraciones de material, producto y arquitectura en impresión de quitosano y sus compuestos". Explica que la idea de usar fabricación digital basada en soluciones vino del estudio de métodos de biofabricación basados en inyección de tinta y boquillas para producir materiales blandos como andamios para el crecimiento de tejidos.

Se decidió probar la deposición 3D basada en boquilla usando polvo de quitosano procesado en gel a concentraciones peso-volumen (p/v) de 1-12% usando ácido acético al 4% p/v en solución acuosa. Estos hidrogeles variaban desde un líquido translúcido con viscosidad como miel aguada al 3% de concentración, hasta un material opaco con la consistencia del caucho natural al 12% de concentración (Fig. 1). Los resultados iniciales de películas de quitosano depositadas y secadas mostraron una resistencia a la tracción última de 40 megapascales, que Mogas-Soldevila describió como comparable al polímero de nailon o la madera en la dirección de la fibra. Las estructuras se fabricaron y curaron a temperatura ambiente.

Plataforma novedosa de fabricación digital

La plataforma personalizada de fabricación aditiva robótica que el MIT diseñó para depositar los geles de quitosano combinó un brazo robótico de seis ejes KUKA (Augsburgo, Alemania) Agilus KR1100 (una plataforma de 54 kilogramos con carga útil de 10 kilogramos y repetibilidad/precisión de ±0,03 milímetros) con un efector final basado en extrusión. El nuevo efector final contenía seis barriles para los hidrogeles de quitosano conectados a un sistema de presión de aire controlado por computadora que incluía presión positiva (tanque de aire comprimido) y negativa (bomba de vacío) con regulador digital PSI y motores paso a paso gemelos para controlar la extrusión.

Este efector final pesaba 4 kilogramos incluyendo jeringas cargadas y material de deposición. Los caudales típicos variaban de 8 a 4.000 milímetros cúbicos por segundo usando boquillas con diámetro interior de 0,5 a 8 milímetros. El movimiento lineal del sistema variaba de 10 a 50 milímetros por segundo. El área de deposición era de 1.000 milímetros de largo por 500 milímetros de ancho, sin embargo, las limitaciones de longitud se eliminaron posteriormente mediante una cama de impresión deslizante.

Los motores paso a paso, el sistema neumático y el brazo robótico se controlaban digitalmente para coordinar relaciones alimentación/velocidad, permitir proporciones de mezcla variables y tasas de extrusión y ajustar la presión y velocidad de deposición sobre la marcha basándose en las geometrías de extrusión y propiedades del material deseadas. El movimiento robótico y la extrusión no estaban vinculados explícitamente, es decir, ambas funciones eran independientes entre sí, lo que permitía el control independiente de cada jeringa accionada por motor así como el desplazamiento del efector final del brazo robótico. El sistema produjo con éxito formas 3D a gran escala sin moldes y logró una amplia gama de formas geométricas con propiedades estructurales variables.

Del diseño digital a la deposición

Los ensayos iniciales de fabricación se basaron en estructuras biológicas como hojas y alas de libélula. Una estructura longitudinal principal proporcionaba la forma global, hecha con deposiciones de mayor diámetro y concentraciones de material más altas para rigidez. Las estructuras secundarias se formaban luego mediante redes depositadas de materiales de menor diámetro y menor concentración. El sistema de fabricación usó varias técnicas para construir estas estructuras: aplicar soluciones de diferente concentración a lo largo de ciertos caminos, controlar digitalmente la presión durante la deposición para controlar el ancho y alto del material y repetir capas. Estas estrategias se codificaron en las instrucciones de posición, velocidad, presión y material que se enviaban en tiempo real al robot KUKA (posicionamiento) y al efector final de extrusión (deposición).

Para comenzar, las estructuras se modelaban en un programa CAD y luego un software de laminado personalizado convertía esto en capas impresas. El sistema de control digital probaba y optimizaba los caminos de deposición. Las trayectorias geométricas que proporcionan control y operación del sistema de extrusión se diseñaron con el software de modelado Rhino3D (Robert McNeel and Associates, EE. UU.) y su plugin de scripting Grasshopper.

El sistema entonces codificaba una serie de parámetros independientes asociados con el diseño digital así como propiedades mecánicas y químicas básicas del material. También moderaba restricciones dependientes de la plataforma dadas por el sistema de fabricación como viscosidades, tasas de cizallamiento, tipos de barril, tiempos de respuesta del hardware y/o tamaño del envolvente. Todos estos parámetros se combinaban luego con variaciones específicas del diseño como tipo de boquilla, composición del material y mapas de presión dependientes del tiempo. Los cálculos resultantes emitían los caudales necesarios, patrones de recarga de barriles y velocidades de posicionamiento. Finalmente, se generaban instrucciones de fabricación personalizadas, codificando comandos de movimiento y extrusión a los sistemas de posicionamiento y deposición, respectivamente.

Exploración de estructuras novedosas

Los ensayos de fabricación descritos por Mogas-Soldevila incluyen una estructura de 50 centímetros de largo inspirada en alas de libélula. Sus "venas" estructurales se hicieron de gel de quitosano espesado con polvo de alginato sódico natural, sobre el cual se superpuso una membrana transparente resistente a la tensión de gel de quitosano al 3%. Debido a las características de auto-reparación de los materiales, la membrana se unió a las venas durante la deposición. Este concepto se exploró más en una variedad de estructuras similares a hojas de hasta 3 metros de largo. En otro ejemplo, una cuadrícula de 5 x 15 milímetros se depositó plana usando una solución de microfibra de celulosa en gel de quitosano al 2%. Al secarse, formó un cilindro de 50 centímetros de largo, usando la capacidad de diseñar tensiones de evaporación internas como se discutió anteriormente.

Esta tecnología fue pionera por Jorge Duro-Royo, arquitecto e investigador principal en el Grupo Mediated Matter del MIT bajo la Prof. Neri Oxman, y se desarrolló más en los proyectos Aguahoja donde se crearon y moldearon estructuras similares a piel ("hojas") con soluciones basadas en agua ("agua"). Aguahoja I incluyó un pabellón arquitectónico de 5 metros de altura (Fig. 2) y una biblioteca de experimentos de materiales que se exhibieron en 2018 y luego fueron adquiridos por el Museo de Arte Moderno de San Francisco (SFMOMA, California, EE. UU.) para su colección permanente. Aguahoja II fue parte de una exposición de 2019 co-organizada por el Cube Design Museum (Kerkrade, Países Bajos) y el Cooper Hewitt, Smithsonian Design Museum (Nueva York, N.Y., EE. UU.).

La plataforma de fabricación robótica en los proyectos Aguahoja evolucionó para incluir sistemas tanto basados en robot como en pórtico. El pabellón comprendía 95 segmentos individuales impresos en 3D. La columna vertebral blanca se imprimió usando un sistema FDM F900 estándar y termoplástico acrilonitrilo estireno acrilato (ASA). Los múltiples paneles biocompuestos se diseñaron con grados variables de rigidez, flexibilidad y opacidad para crear regiones que sirven como estructura, ventana y filtro ambiental. Algunos de los materiales en Aguahoja I cambian en respuesta a la humedad y el calor, otros se oscurecen o aclaran al cambiar las estaciones. Los materiales van desde frágiles y transparentes hasta flexibles y similares al cuero, pero todos pueden programarse para degradarse en agua (ej. lluvia), restaurando así los bloques constructivos constituyentes al ecosistema natural.

Mogas-Soldevila ha completado desde entonces un doctorado en The Silklab dentro de Ingeniería Biomédica de Tufts (Medford, Mass., EE. UU.), analizando cómo usar seda y otras fibras y materiales naturales, incluyendo los que trabajó en el MIT. Ahora es profesora asistente de Arquitectura en la Escuela de Diseño Stuart Weitzman de la Universidad de Pensilvania, donde enseña e investiga diseño impulsado por materiales en la intersección de la sostenibilidad y las ciencias de la vida de vanguardia. Parte de su trabajo reciente se puede encontrar en dumolab.com. "Estos son materiales que vienen de la naturaleza y son muy fácilmente funcionalizables; los podemos mezclar, dopar y transformar. Realmente podemos sintonizarlos para capacidades de fabricación específicas. Estamos viendo qué viene mañana."