Un nuevo enfoque innovador permite imprimir en 3D estructuras bioinspiradas que podrían optimizar los diseños en industrias, como la robótica y las tecnologías portátiles. Para este enfoque, la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD) ha utilizado métodos de deposición basados en trayectorias de herramientas optimizadas.
En la impresión 3D tradicional, se utiliza una boquilla para imprimir el material capa por capa, y el camino que sigue la boquilla se conoce como trayectoria de la herramienta. Sin embargo, la impresión capa por capa es incompatible con materiales como silicona, epoxis y uretanos, que se curan lentamente y tardan más en endurecerse. Estos tipos de materiales se utilizan a menudo para crear metamateriales mecánicos blandos que, a su vez, se utilizan para estructuras ligeras inspiradas en la naturaleza, como redes y estructuras de red.
Los procesos basados en deposición en la impresión 3D, como la escritura directa con tinta, podrían funcionar con estos materiales para crear dichas estructuras, pero estos sufren de trayectorias de herramientas no optimizadas.
Enfoque de diseño arquitectónico
Para abordar este desafío, los investigadores propusieron un enfoque de diseño arquitectónico. En concreto, el equipo se centró en cómo se puede utilizar la escritura directa con tinta para fabricar estructuras ligeras.
En primer lugar, se diseñó un método para optimizar las trayectorias de las herramientas. Al descomponer el diseño 3D del objeto en puntos y formas simples, el equipo pudo utilizar diseños de trayectorias de herramientas segmentadas y continuas para mejorar la trayectoria general, que contenían menos arranques y paradas innecesarios.
En las pruebas se imprimieron varios tipos de estructuras bioinspiradas utilizando este método para generar trayectorias optimizadas. Primero, se intentó ajustar las propiedades de los materiales de impresión para mejorar aún más su idoneidad para la escritura directa con tinta. Al seleccionar tres materiales de silicona disponibles comercialmente, se agregó un modificador conocido como Thivex. Los investigadores crearon nueve combinaciones de materiales distintas que eran más adecuadas para la escritura directa con tinta.
Los investigadores procedieron a imprimir en 3D cilios, membranas, estructuras similares a hojas y enrejados utilizando el enfoque propuesto, y probaron las funcionalidades de las estructuras en diferentes entornos. En el caso de los cilios impresos en 3D, se descubrió que al añadirlos a las ventosas mejoraba la fuerza de tracción de las ventosas; mientras tanto, el enrejado impreso en 3D demostró ser una estructura eficaz para absorber energía, demostrando una reducción de las fuerzas máximas de impacto de hasta un 85%.
Nuevos nichos de aplicaciones avanzadas
Con estos hallazgos, el equipo es optimista sobre el desarrollo futuro de métodos de impresión 3D basados en deposición para imprimir estructuras bioinspiradas. También consideran que los procesos de fabricación aditiva basados en deposición podrían encontrar un nicho en aplicaciones avanzadas, complementando los métodos tradicionales que seguirían siendo esenciales para producir estructuras estandarizadas y de gran volumen.
Por ahora, los investigadores se centran en mejorar la eficiencia de escalado de su método, reducir sus costes y ampliar la versatilidad de los materiales a entornos industriales. Para ello, el equipo planea explorar la impresión multimaterial, que permitiría imprimir diferentes materiales, creando a su vez lo que el equipo ha denominado metamateriales diseñados. Además, el equipo también investigará cómo las técnicas de aprendizaje automático pueden permitir a los usuarios de impresión 3D especificar métricas de rendimiento para los diseños de metamateriales que desean generar.