¿Qué es la impresión 4D, de todos modos?

Imagine comprar zapatos que se puedan ajustar automáticamente a sus pies o desarrollar un dispositivo médico que se adapte perfectamente a la anatomía de un paciente cuando lo active un estímulo específico. Estos son solo algunos de los usos potenciales de la impresión 4D, un área de investigación emocionante y en crecimiento.

Si bien la impresión 4D puede parecer sacada de una novela de ciencia ficción, Gartner predice que se invertirán 300 millones de dólares en impresión 4D para 2023, aunque la tecnología aún está algo lejos de la disponibilidad comercial.

Entonces, ¿qué es exactamente la impresión 4D y cómo puede beneficiar a los fabricantes?

El artículo de hoy analizará cómo funciona la impresión 4D, así como las aplicaciones actuales y futuras de la tecnología.

¿Qué es la impresión 4D?

La impresión 4D brinda a los objetos impresos en 3D la capacidad de cambiar su forma con el tiempo. El término "impresión 4D" se refiere a esta cuarta dimensión adicional:el tiempo.

La tecnología emergente combina técnicas de impresión 3D con ciencia de materiales, ingeniería y software de alto nivel.

Los materiales juegan un papel crucial en la impresión 4D, ya que la tecnología utiliza materiales que han sido especialmente diseñados para reaccionar a un estímulo específico.

Los estímulos comunes que pueden hacer que los objetos fabricados se transformen incluyen cambios de temperatura, luz, agua, campos magnéticos, así como también factores químicos y ambientales.

Cuando son activados por una fuente externa, los objetos impresos en 4D pueden plegarse o desplegarse en formas predeterminadas, abriendo la puerta a una variedad de aplicaciones interesantes que exploraremos a continuación.

¿En qué se diferencia la impresión 4D de la impresión 3D?

La impresión 3D es una tecnología de fabricación y creación rápida de prototipos que deposita material capa por capa para crear objetos tridimensionales.

Fundamentalmente, la impresión 4D utiliza las mismas técnicas que la impresión 3D para crear piezas. La diferencia clave es que los objetos impresos en 4D cambian su forma con el tiempo una vez impresos, mientras que los objetos impresos en 3D mantienen la misma forma fija.

Durante el proceso 4D, se agrega un código geométrico que contiene "instrucciones" sobre cómo una forma se moverá o cambiará una vez que se active por un estímulo. Este paso de preprogramación permite la creación de objetos inteligentes y receptivos que pueden adaptarse a factores ambientales específicos.

¿Cómo funciona la impresión 4D?

Para familiarizarse con la impresión 4D primero es necesario comprender cómo reaccionará un material a un determinado estímulo. Con este conocimiento del comportamiento de los materiales, los ingenieros pueden diseñar un objeto con variaciones en la estructura del material.

Basado en el diseño CAD digital, un modelo se imprime en 3D, ya sea en un solo material o en un material compuesto.

Una vez que se completa el proceso de impresión, un código geométrico preprogramado dictará cómo las diferentes áreas del objeto deben reaccionar a un estímulo específico.

Con este enfoque, los ingenieros pueden crear componentes que toman formas predeterminadas o se pliegan y despliegan de ciertas formas cuando se activan con un estímulo específico.

Existen varias tecnologías de impresión 3D adecuadas para procesar materiales programables o "inteligentes":

• Estereolitografía (SLA),
• Fabricación de filamentos fundidos (FFF),
• Material Jetting,
• Fusión selectiva por láser (SLM).

Mientras que los tres primeros suelen trabajar con materiales a base de polímeros, los materiales SLM comunes son los metales.

Notablemente, el progreso reciente en la impresión 4D se puede atribuir en gran medida a los avances en la tecnología de inyección de material, que permite la impresión de múltiples materiales. Esta tecnología funciona lanzando gotas de material, lo que permite controlar estrictamente su deposición.

¿Qué materiales se pueden imprimir en 4D?

Como hemos visto, la tecnología utiliza materiales "inteligentes" especialmente diseñados que tienen una o más propiedades que pueden modificarse mediante desencadenantes externos.

Si bien la cartera de materiales de impresión 4D todavía es bastante limitada debido a la etapa inicial de la tecnología, a continuación describimos algunos de los materiales más prometedores que se pueden usar en la impresión 4D:

Hidrogeles

Los hidrogeles son redes hidrófilas de cadenas poliméricas que pueden retener una gran cantidad de agua. Los hidrogeles se pueden utilizar en tecnologías de impresión 3D curables por UV y se pueden programar para cambiar de forma en respuesta a los cambios de temperatura.

Dado que su composición es principalmente agua, los hidrogeles son biocompatibles y, por tanto, especialmente adecuados para aplicaciones médicas. Los hidrogeles también se pueden utilizar en aplicaciones como robótica blanda y electrónica flexible.

El año pasado, ingenieros de la Universidad de Rutgers desarrollaron un método de impresión 4D para crear un gel inteligente que podría ayudar a la creación de estructuras vivas en órganos humanos. y tejidos ¿El material utilizado? Hidrogel.

En esta aplicación, el material de hidrogel cambia de forma cuando se expone a cambios de temperatura. Además de promover las aplicaciones biomédicas, este desarrollo también podría permitir nuevas aplicaciones en robótica suave, incluidos sensores y actuadores flexibles.

Consulte el video de Rutgers a continuación para obtener más información:

Polímeros con memoria de forma

Los polímeros con memoria de forma (SMP) son materiales poliméricos inteligentes que tienen la capacidad de cambiar de una forma temporal fija a su forma original cuando se exponen a un estímulo externo.

Debido a su capacidad de actuación activa (la capacidad de mover y controlar un mecanismo o sistema), los SMP han encontrado varias aplicaciones en la industria aeroespacial, robots blandos, biomédicos y otros campos.

Aleaciones con memoria de forma

Las aleaciones con memoria de forma (SMA) son materiales metálicos inteligentes que, al igual que los SMP, conservan una "memoria" de su forma original y pueden volver a su forma original después de deformarse bajo un estímulo.

Los SMA pueden encontrar usos en una variedad de campos, como el aeroespacial, la ingeniería civil y los dispositivos biomédicos.

Cerámica

El año pasado, un equipo de investigación de la City University of Hong Kong demostró una nueva tinta cerámica, que combina polímeros y nanopartículas cerámicas.

Los precursores de cerámica impresos en 3D impresos con esta tinta son suaves y se pueden estirar tres veces más allá de su longitud inicial. Algunas de las aplicaciones prometedoras de este material incluyen dispositivos electrónicos, así como aplicaciones dentro de la industria aeroespacial.

Emocionantes aplicaciones de impresión 4D

La impresión 4D tiene un gran potencial para la forma en que se fabrican los productos en la actualidad. Echemos un vistazo a las posibilidades que abre la impresión 4D con más detalle.

Aeroespacial

La capacidad de producir materiales inteligentes que reaccionen a factores externos es una ventaja clave para la industria aeroespacial. Aquí, la impresión 4D se puede utilizar para hacer estructuras autodesplegables para ventilación de aire, enfriamiento de motores y otros usos similares.

Airbus SAS, en asociación con el laboratorio de autoensamblaje del MIT, ya está trabajando con la impresión 4D para desarrollar una solución que enfríe sus motores en función de la temperatura y otros factores.

En un ejemplo, Airbus y MIT trabajaron en el desarrollo de un componente de entrada de aire que puede transformarse en respuesta a las condiciones aerodinámicas para disminuir la resistencia del aire.

La entrada de aire que se creó se puede autoajustar para permitir el control automático del flujo de aire utilizado para enfriar el motor. Utilizando fibra de carbono, los ingenieros programaron el material para que pueda responder a las fuerzas de presión.

La entrada ha sido probada con éxito en un túnel de viento y podría usarse en el futuro en lugar del pesado sistema mecánico que actualmente realiza esta tarea.

Las misiones espaciales también pueden beneficiarse de Impresión 4D. Por ejemplo, investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia utilizaron polímeros con memoria de forma para imprimir en 3D la estructura hecha de puntales. Esta estructura se pliega temporalmente hasta quedar plana, pero puede desplegarse cuando se expone al calor. Los investigadores creen que su invento se puede utilizar para fabricar antenas para naves espaciales y robots blandos que cambian de forma.

Defensa

Los beneficios de la impresión 3D para la industria de la defensa son muy variados. Ahora, la industria está buscando la impresión 4D para más aplicaciones.

Uno de los usos más prometedores de la impresión 4D podría involucrar uniformes militares que pueden alterar su camuflaje o proteger mejor contra gases venenosos o metralla al contacto.

Los investigadores también están explorando formas en que los militares podrían usar objetos autoensamblados, incluida la posibilidad de refugios o puentes que se ensamblen solos.

Médico

El potencial de la impresión 4D en el campo médico es enorme. Aquí, la tecnología podría usarse en aplicaciones que van desde la ingeniería de tejidos y dispositivos biomédicos inteligentes hasta la fabricación de nanopartículas y nanorobots para quimioterapia.

Por ejemplo, los investigadores del MIT han desarrollado una tinta imprimible en 3D con micropartículas magnéticas. Las estructuras impresas en 3D con este material son magnéticas y, por tanto, pueden controlarse de forma remota.

Esta tecnología podría usarse para fabricar dispositivos que puedan ser guiados por un imán a través del tracto gastrointestinal para tomar imágenes, extraer muestras de tejido, eliminar una obstrucción o administrar ciertos medicamentos a un área específica del cuerpo. .

Otra aplicación potencial de la impresión 4D se encuentra en la ingeniería de tejidos. En este campo, los hidrogeles biocompatibles podrían usarse para imprimir una piel artificial para injertos e incluso implantes capaces de cambiar de forma y funcionamiento sin intervención externa.

Automotriz

En 2016, BMW mostró su visión futurista de un automóvil conceptual, que incluía impresión 4D. Uno de los elementos incluía el uso de la impresión 4D para producir componentes de automóviles que se pueden adaptar a las condiciones ambientales cambiantes.

Si bien esto era solo un concepto, dos años más tarde el fabricante de automóviles, en colaboración con el laboratorio de autoensamblaje del MIT, anunció la creación de una estructura 4D inflable que puede autoajustarse en función de los cambios en la presión del aire. Hecho de silicona, el material inflable refleja la visión de BMW del diseño adaptativo.

Una forma en que se podría utilizar la estructura 4D es para asientos de automóvil, proporcionando apoyo y comodidad adaptables, o incluso para el rendimiento de impacto en forma de bolsas de aire.

Bienes de consumo

La producción de productos de consumo es otra área que podría reinventarse con la impresión 4D. Por ejemplo, la tecnología podría usarse para fabricar muebles planos como sillas y mesas, que se ensamblarían automáticamente cuando se activaran.

Una vez comprados, los muebles impresos en 4D simplemente se unen, eliminando la necesidad de abrir una caja y ensamblar todas las piezas manualmente. En última instancia, esto podría conducir a productos que requerirían menos espacio de almacenamiento y facilitarían el transporte.

Impresión 4D:¿la próxima gran novedad?

La impresión 4D es un área fascinante que abre interesantes posibilidades para la fabricación. La capacidad de fabricar objetos con funcionalidad programable podría transformar la forma en que se producen los bienes.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que la mayoría de los proyectos discutidos aquí todavía se encuentran en la fase de investigación y experimentación, y la tecnología tiene un largo camino por recorrer antes de que sea comercialmente viable para las empresas.

Pero, a medida que continúan las investigaciones, el impacto de la impresión 4D podría ser enorme y tocar aplicaciones en una amplia gama de industrias.

Siendo realistas, pasarán varios años, o quizás incluso una década o más, antes de que veamos las aplicaciones principales de la impresión 4D. Dicho esto, parece que la tecnología seguirá la evolución de la impresión 3D para convertirse en la próxima tecnología disruptiva en la fabricación.