Impresión 4D: revolucionando la fabricación aditiva para soluciones adaptativas

¿Y si las tuberías pudieran autor repararse al agrietarse o romperse, o la ropa pudiera cambiar según el clima o la actividad del usuario? Muebles que se ensamblan solos, prótesis que se adaptan al crecimiento... Estas son solo algunas de las posibles aplicaciones que se prevé que la tecnología de impresión 4D haga realidad.

Imagen 1: Garra impresa en 4D modificando su forma. Fuente: Sculpteo.

La impresión 3D lleva casi 30 años entre nosotros y, aunque sigue en proceso de investigación, descubriendo nuevos materiales y aplicaciones, han surgido nuevas tecnologías como la 4D.

En el Laboratorio de Autoensamblaje del MIT, han desarrollado un proyecto del que la impresión 4D forma parte. Su propósito es combinar tecnología y diseño para inventar materiales programables y tecnologías de autoensamblaje con el objetivo de reinventar la construcción, la fabricación, el ensamblaje de productos y el rendimiento. Mientras tanto, un estudio del Instituto Wyss (parte de la Universidad de Harvard) ha logrado imprimir un objeto que, al contacto con el agua, cambia de forma, resultando en una especie de floración de sus extremos. Desarrollaron un material basado en estructuras naturales, como las plantas, al que inyectaron fibras de celulosa durante el proceso de impresión.

Vídeo 1: Arquitectura que cambia de forma. Fuente: Universidad de Harvard.

¿Qué es la impresión 4D?

Inspirada en el principio de autoensamblaje, la impresión 4D es el proceso mediante el cual un objeto impreso en 3D se transforma en una estructura diferente bajo la influencia de una entrada de energía externa, como temperatura, luz u otros estímulos ambientales. Es decir, obtener un objeto mediante tecnología 3D que, gracias a las propiedades del material del que está hecho, es capaz de cambiar cuando se somete a un estímulo ambiental.

Esta es precisamente la diferencia entre la tecnología 3D y 4D: la capacidad de los objetos para transformarse con el tiempo sin intervención humana.

Materiales utilizados

La clave de la impresión 4D no reside tanto en el proceso, basado en las conocidas impresoras 3D, sino en los materiales. Al ser una tecnología bastante nueva, los materiales disponibles no son tan variados como los usados en impresión 3D estándar. Sin embargo, existen algunos muy interesantes.

SMP (polímeros con memoria de forma)

Polímeros que permanecen rígidos a temperatura ambiente y ofrecen propiedades especiales al alcanzar el punto de transición vítrea. Un ejemplo sería el TPU SMP de Convena: un filamento 4D con una composición basada en TPU (poliuretano termoplástico) que permite el post-procesado para modificar la forma de piezas impresas en 3D. Gracias a su composición especial y a la tecnología de polímeros con memoria de forma, las piezas impresas con este filamento pueden modificarse manualmente, permitiéndoles adquirir otra forma y mantenerla en el tiempo.

El proceso de modificación de la forma de una pieza impresa en 3D con filamento TPU SMP consiste en sumergir la pieza en un recipiente con agua caliente hasta que alcanza su temperatura de transición vítrea. En ese momento, la pieza se ablanda y el usuario puede modificar fácilmente su forma. Una vez enfriada, la pieza mantiene la forma adquirida y permanece estable. Además, las piezas impresas en 3D con filamento TPU SMP pueden restaurarse a su forma original invirtiendo el proceso. Es decir, volviendo a alcanzar la temperatura de transición vítrea del material.

LCE (elastómeros de cristal líquido)

Contienen cristales líquidos que son sensibles al calor. Controlando su orientación, se puede programar la forma deseada: bajo el efecto de la temperatura, el material se relaja y se transforma según el código dictado.

Hidrogeles

Cadenas de polímeros compuestas principalmente de agua, usadas particularmente en procesos de fotocurado. Estos últimos se centran en el sector médico debido a su biocompatibilidad.

Además, algunos procesos de impresión 4D pueden usar diversos materiales, principalmente compuestos como madera o carbono, que se añaden a SMP o hidrogeles. Esto resulta en objetos con zonas rígidas y móviles.

Aplicaciones

Dadas las muchas ventajas de estos materiales inteligentes, las aplicaciones de la impresión 4D son innumerables.

Construcción

La construcción de estructuras adaptadas al clima, como puentes, refugios u otras instalaciones, sería un gran avance en este campo. Ladrillos 4D capaces de modificar paredes y techos para adaptarse al entorno permitirían modificar y mejorar las condiciones interiores.

Vídeo 2: Madera programable. Fuente: Laboratorio de Autoensamblaje, MIT.

Medicina

En este caso, la impresión 4D ofrece la posibilidad de crear dispositivos a medida, inteligentes y evolutivos. Por ejemplo, al imprimir en 4D un implante, su estado y viabilidad podrían monitorizarse más fácilmente una vez integrado en el paciente.

Este concepto es aplicable a toda la medicina regenerativa y la fabricación de estructuras celulares. La impresión 4D permitiría a las células adaptarse al cuerpo humano según su temperatura, por ejemplo. Si hablamos de medicamentos, sería posible, por ejemplo, imprimir un dispositivo que libere la dosis requerida según la temperatura corporal del paciente.

Transporte

Hace unos meses, BMW y el MIT presentaron su material inflable, que cambia de forma y tamaño bajo el efecto de pulsos de aire. Las aplicaciones son muy interesantes, ya que en el futuro podríamos tener neumáticos que se autorreparen en caso de pinchazo o se adapten al terreno y condiciones climáticas del entorno.

En el caso de la industria aeronáutica, un componente impreso en 4D podría reaccionar a cambios de presión atmosférica o temperatura y así cambiar su función. Airbus está trabajando actualmente en estos desarrollos, ya que estos componentes podrían reemplazar bisagras y actuadores hidráulicos, aligerando significativamente los dispositivos. Además, también trabaja en el desarrollo de materiales reactivos al calor para refrigerar sus motores de avión.

Raúl Pulido Casillas, un ingeniero español, ha creado una tela inteligente impresa en 4D para la NASA. La malla metálica, hecha de piezas de plata unidas, tiene regulación térmica programada en su impresión. Es decir, no solo se ha impreso su forma, sino también la función de los materiales. Al ser capaz de reflejar el calor por fuera y retenerlo por dentro, podría ser un elemento ideal para fabricar trajes de astronauta o recubrir naves espaciales.

Moda

En la industria textil, la impresión 4D también está encontrando su lugar. La posibilidad de imprimir zapatos que se adapten al movimiento, impacto, temperatura y presión atmosférica es una realidad. El ejército estadounidense ya ha incursionado en este campo y está probando uniformes que cambian de color según el entorno, o que regulan la transpiración según el pulso del soldado o la temperatura ambiente.

Aunque aún estamos en sus inicios, es cierto que la tecnología 4D revolucionará la fabricación y la naturaleza de los objetos en los próximos años, al igual que lo hizo la impresión 3D en su día.