La impresión 3D multimaterial permite a los fabricantes fabricar dispositivos personalizados con múltiples colores y texturas variadas. Pero el proceso puede llevar mucho tiempo y ser derrochador porque las impresoras 3D existentes deben cambiar entre varias boquillas y, a menudo, descartar un material antes de poder comenzar a depositar otro.

Investigadores del MIT y de la Universidad Tecnológica de Delft han presentado una técnica más eficiente, menos derrochadora y de mayor precisión que aprovecha materiales sensibles al calor para imprimir objetos con múltiples colores, tonos y texturas en un solo paso.

Su método, denominado planchado de velocidad modulada, utiliza una impresora 3D de dos boquillas. La primera boquilla deposita un filamento sensible al calor y la segunda boquilla pasa sobre el material impreso para activar determinadas respuestas, como cambios en la opacidad o la aspereza, mediante el calor.

Al controlar la velocidad de la segunda boquilla, los investigadores pueden calentar el material a temperaturas específicas, ajustando con precisión el color, el tono y la rugosidad de los filamentos sensibles al calor. Es importante destacar que este método no requiere ninguna modificación del hardware.

Los investigadores desarrollaron un modelo que predice la cantidad de calor que la boquilla de “planchado” transferirá al material en función de su velocidad. Utilizaron este modelo como base para una interfaz de usuario que genera automáticamente instrucciones de impresión que logran especificaciones de color, tono y textura.

Se podría utilizar el planchado a velocidad modulada para crear efectos artísticos variando el color de un objeto impreso. La técnica también podría producir mangos con textura que serían más fáciles de agarrar para personas con debilidad en las manos.

“Hoy en día, tenemos impresoras de escritorio que utilizan una combinación inteligente de unas pocas tintas para generar una gama de tonos y texturas. Queremos poder hacer lo mismo con una impresora 3D: utilizar un conjunto limitado de materiales para crear un conjunto mucho más diverso de características para los objetos impresos en 3D”, afirma Mustafa Doğa Doğan, PhD ´24, coautor de un artículo sobre planchado de velocidad modulada.

Este proyecto es una colaboración entre los grupos de investigación de Zjenja Doubrovski, profesora adjunta de la TU Delft, y Stefanie Mueller, profesora de Desarrollo Profesional TIBCO en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT y miembro del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT (CSAIL). Doğan trabajó en estrecha colaboración con el autor principal Mehmet Ozdemir de la TU Delft; Marwa AlAlawi, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica del MIT; y José Martínez Castro de la TU Delft. La investigación se presentará en el Simposio ACM sobre Software y Tecnología de Interfaz de Usuario.

Modulación de la velocidad para controlar la temperatura

Los investigadores lanzaron el proyecto para explorar mejores formas de lograr una impresión 3D con múltiples propiedades con un solo material. El uso de filamentos sensibles al calor era prometedor, pero la mayoría de los métodos existentes utilizan una sola boquilla para imprimir y calentar. La impresora siempre necesita calentar primero la boquilla a la temperatura deseada antes de depositar el material.

Sin embargo, calentar y enfriar la boquilla lleva mucho tiempo y existe el peligro de que el filamento de la boquilla se degrade a medida que alcanza temperaturas más altas.

Para evitar estos problemas, el equipo desarrolló una técnica de planchado en la que el material se imprime con una boquilla y luego se activa con una segunda boquilla vacía que solo lo recalienta. En lugar de ajustar la temperatura para activar la respuesta del material, los investigadores mantienen constante la temperatura de la segunda boquilla y varían la velocidad a la que se mueve sobre el material impreso, tocando ligeramente la parte superior de la capa.

En el planchado de velocidad modulada, la primera boquila de una impresora 3D de doble boquilla deposita un filamento sensible al calor y luego la segunda boquilla pasa sobre el material impreso para activar ciertas respuestas, como cambios en la opacidad o la aspereza, utilizando calor. Crédito: Cortesía de los investigadores

“Al modular la velocidad, la capa impresa que planchamos puede alcanzar distintas temperaturas. Es similar a lo que ocurre si pasas el dedo sobre una llama. Si lo mueves rápidamente, es posible que no te quemes, pero si lo arrastras lentamente sobre la llama, tu dedo alcanzará una temperatura más alta”, afirma AlAlawi.

El equipo del MIT colaboró ​​con los investigadores de la TU Delft para desarrollar el modelo teórico que predice qué tan rápido debe moverse la segunda boquilla para calentar el material a una temperatura específica.

El modelo correlaciona la temperatura de salida de un material con sus propiedades de respuesta al calor para determinar la velocidad exacta de la boquilla que logrará ciertos colores, tonos o texturas en el objeto impreso.

“Hay muchos factores que pueden afectar los resultados que obtenemos. Estamos modelando algo que es muy complicado, pero también queremos asegurarnos de que los resultados sean precisos”, afirma AlAlawi.

El equipo investigó en la literatura científica para determinar los coeficientes de transferencia de calor adecuados para un conjunto de materiales únicos, que incorporaron a su modelo. También tuvieron que lidiar con una serie de variables impredecibles, como el calor que pueden disipar los ventiladores y la temperatura del aire en la habitación donde se está imprimiendo el objeto.

Incorporaron el modelo en una interfaz fácil de usar que simplifica el proceso científico, traduciendo automáticamente los píxeles del modelo 3D de un fabricante en un conjunto de instrucciones de máquina que controlan la velocidad a la que se imprime y plancha el objeto mediante las boquillas duales.

Fabricación más rápida y fina

Probaron su método con tres filamentos sensibles al calor. El primero, un polímero espumoso con partículas que se expanden al calentarse, produce distintos tonos, translucidez y texturas. También experimentaron con un filamento lleno de fibras de madera y otro con fibras de corcho, ambos que se pueden carbonizar para producir tonos cada vez más oscuros.

Los investigadores demostraron que su método podía producir objetos como botellas de agua que fueran parcialmente translúcidas. Para fabricar las botellas de agua, plancharon el polímero espumoso a bajas velocidades para crear regiones opacas y a velocidades más altas para crear regiones translúcidas. También utilizaron el polímero espumoso para fabricar un manillar de bicicleta con rugosidad variada para mejorar el agarre del ciclista.

Intentar producir objetos similares mediante la impresión 3D multimaterial tradicional requería mucho más tiempo, a veces horas añadidas al proceso de impresión, y consumía más energía y material. Además, el planchado con velocidad modulada podía producir gradientes de textura y tonos de grano fino que otros métodos no podían lograr.

En el futuro, los investigadores quieren experimentar con otros materiales termorresponsivos, como los plásticos. También esperan explorar el uso del planchado modulado por velocidad para modificar las propiedades mecánicas y acústicas de ciertos materiales.

Autor

Autor

MIT

Promover la investigación, las innovaciones, la enseñanza y los eventos y las personas de interés periodístico del MIT a la comunidad del campus, los medios de comunicación y el público en general, Comunicar anuncios del Instituto, Publicar noticias de la comunidad para profesores, estudiantes, personal y ex alumnos del MIT. Proporcionar servicios de medios a los miembros de la comunidad, incluido el asesoramiento sobre cómo trabajar con periodistas, Responder a consultas de los medios y solicitudes de entrevistas...