La nueva impresora 3D utiliza rayos de luz para dar forma a los objetos y transformar el diseño del producto

UC Berkeley desarrolla una impresora 3D que usa luz para tranformar líquidos en objetos sólidos

Redacción Interempresas08/02/2019

La UC Berkeley de California (EE UU) ha creado una nueva impresora 3D utiliza la luz para transformar líquidos viscosos en objetos sólidos complejos en cuestión de minutos. Sus creadores la llaman el ‘replicador’ como el dispositivo que en la serie Star Trek materializaba cualquier objeto bajo demanda. Este sistema crea objetos más suaves, flexibles y complejos que las impresoras 3D tradicionales y puede revestir un objeto ya existente con nuevos materiales.

Pequeño modelo de la estatua de Rodin ‘El Pensador’. Foto: UC Berkeley.

Esta tecnología transformará, por ejemplo, la forma de diseñar y fabricar las lentes para gafas, según sus creadores. “Creo que esta es una ruta para poder personalizar aún más los objetos en masa, ya sean prótesis o zapatillas para correr”, dijo Hayden Taylor, profesor asistente de Ingeniería Mecánica de la Universidad de California en Berkeley y autor principal de un artículo que describe la impresora en la revista Science.

“El hecho de que se pueda tomar un componente metálico o algo de otro proceso de fabricación y añadir una geometría personalizable, creo que puede cambiar la forma en que se diseñan los productos”, dijo Taylor.

Los investigadores de UC Berkeley utilizaron una nueva técnica de impresión 3D basada en luz para añadir un mango a un eje de destornillador. Foto de UC Berkeley por Stephen McNally.

La mayoría de las impresoras 3D, incluyendo otras técnicas basadas en la luz, crean objetos 3D capa por capa. Esto produce un efecto de ‘peldaño de escalera’ a lo largo de los bordes. También tienen dificultades para crear objetos flexibles porque los materiales flexibles pueden deformarse durante el proceso de impresión, y se necesitan soportes para imprimir objetos de ciertas formas, como arcos. La nueva impresora se basa en un líquido viscoso que reacciona para formar un sólido cuando se expone a un cierto umbral de luz. Proyectar patrones de luz cuidadosamente elaborados —esencialmente “películas”— sobre un cilindro giratorio de líquido solidifica la forma deseada de una sola vez. “Básicamente, tienes un videoproyector listo para usar, que literalmente traje de casa, y luego lo conectas a una computadora portátil y lo usas para proyectar una serie de imágenes computarizadas, mientras que un motor hace girar un cilindro que tiene una resina de impresión 3D dentro", dijo Taylor. “Obviamente hay muchas sutilezas en ello, cómo se formula la resina y, sobre todo, cómo se calculan las imágenes que se van a proyectar, pero la barrera para crear una versión muy simple de esta herramienta no es tan alta”.

Taylor y el equipo usaron la impresora para crear una serie de objetos, desde un pequeño modelo de la estatua de Rodin ‘El Pensador’ hasta un modelo de mandíbula personalizado. Actualmente, pueden hacer objetos de hasta cuatro pulgadas de diámetro.

“Este es el primer caso en el que no necesitamos construir piezas 3D personalizadas capa por capa”, dijo Brett Kelly, coprimer autor del documento que completó el trabajo mientras era estudiante de posgrado y trabajaba conjuntamente en UC Berkeley y Lawrence Livermore National Laboratory. “Hace que la impresión en 3D sea verdaderamente tridimensional”.

La impresora 3D funciona iluminando patrones cambiantes de luz a través de una ampolla rotativa de líquido. Un algoritmo de computadora calcula los patrones exactos de luz necesarios para dar forma a un objeto específico. Foto de UC Berkeley por Hayden Taylor.

Una tomografía computarizada al revés

La nueva impresora se inspiró en las tomografías computarizadas (TC) que pueden ayudar a los médicos a localizar tumores y fracturas dentro del cuerpo.

Las tomografías computarizadas proyectan rayos X u otros tipos de radiación electromagnética en el cuerpo desde todos los ángulos diferentes. El análisis de los patrones de energía transmitida revela la geometría del objeto.

“Esencialmente, invertimos ese principio”, dijo Taylor. “Estamos tratando de crear un objeto en lugar de medirlo, pero en realidad gran parte de la teoría subyacente que nos permite hacer esto se puede traducir de la teoría que subyace en la tomografía computarizada”.

Además del patrón de la luz, que requiere cálculos complejos para obtener las formas e intensidades exactas, el otro gran desafío al que se enfrentaron los investigadores fue cómo formular un material que permanece líquido cuando se expone a un poco de luz, pero que reacciona para formar un sólido cuando se expone a mucha luz.

“El líquido que no se desea curar es, sin duda, el paso de los rayos de luz a través de él, por lo que es necesario que haya un umbral de exposición a la luz para esta transición de líquido a sólido”, aseguró Taylor.

Los investigadores formularon un líquido espeso y almibarado que se endurece en un sólido cuando se expone a un cierto umbral de luz. Foto de UC Berkeley por Stephen McNally.

La resina de impresión 3D está compuesta por polímeros líquidos mezclados con moléculas fotosensibles y oxígeno disuelto. La luz activa el compuesto fotosensible que agota el oxígeno. Sólo en aquellas regiones tridimensionales donde se ha agotado todo el oxígeno, los polímeros forman los ‘enlaces cruzados’ que transforman la resina de líquida a sólida. La resina no utilizada se puede reciclar calentándola en una atmósfera de oxígeno, dijo Taylor.

“Nuestra técnica casi no genera residuos de material y el material no curado es 100 por ciento reutilizable”, dijo Hossein Heidari, estudiante de posgrado del laboratorio de Taylor en la Universidad de California en Berkeley y co-primer autor de la obra. “Esta es otra ventaja que viene con la impresión 3D sin soporte”.

Los objetos tampoco tienen que ser transparentes. Los investigadores imprimieron objetos que parecen ser opacos usando un tinte que transmite luz a la longitud de onda de curado pero que absorbe la mayoría de las otras longitudes de onda.

“Esto es particularmente satisfactorio para mí, porque crea un nuevo marco de impresión 3D volumétrica o ‘todo de una vez’ que hemos comenzado a establecer en los últimos años", dijo Maxim Shusteff, ingeniero del personal del laboratorio de Livermore. “Esperamos que esto abra el camino para que muchos otros investigadores exploren esta apasionante área de la tecnología”.

Indrasen Bhattacharya de UC Berkeley es el primer autor de la obra. Otros autores incluyen a Christopher M. Spadaccini del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.

Este trabajo fue apoyado por los fondos de inicio de la facultad de UC Berkeley y por los fondos de investigación y desarrollo dirigidos por el laboratorio de Lawrence Livermore National Laboratory. El equipo ha presentado una solicitud de patente sobre la técnica.