El método de impresión 3D inspirado en la naturaleza se dispara más rápido que el bambú

Al cargar hacia adelante a la velocidad máxima, un caracol de jardín recorre 1 milímetro de pavimento por segundo. Según esta lógica, el nuevo proceso de impresión 3D del Instituto Beckman para la Ciencia y Tecnología Avanzadas acelera los métodos existentes más allá de los métodos existentes, a un ritmo de un caracol.

Los investigadores del grupo de sistemas de materiales autónomos de Beckman crearon “impresión de crecimiento”, que imita la expansión externa de los troncos de los árboles para imprimir piezas de polímeros de manera rápida y eficiente sin los moldes y los equipos costosos típicamente asociados con la impresión 3D. Su trabajo aparece en el diario Materiales avanzados.

“Los humanos son increíblemente talentosos para hacer cosas. Los procesos de fabricación completamente nuevos son difíciles de encontrar. La impresión de crecimiento es completamente nueva, lo cual es emocionante”, dijo Sameh Tawfick, profesor de ciencias mecánicas e ingeniería en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign and Project Lead.

Tawfick dijo que la tecnología de fabricación industrial más común es moldura de inyeccióndonde los polímeros fundidos toman forma en un molde de metal. Aunque es efectivo para la producción en masa, mantener los moldes y los hornos de curado (donde el plástico se endurece) puede ser costoso y difícil de manejar, especialmente para objetos grandes como cascos de botes o cuchillas de ventilador. La fabricación aditiva, que imprime objetos 3D como un pastel de capa, es sin moho e ideal para piezas personalizadas como prótesis.

“El equipo de impresión 3D de polímero ha madurado, pero todavía hay aspectos que lo hacen costoso y muy lento”, dijo Tawfick. “Nuestro objetivo era aumentar la velocidad de fabricación, el tamaño y la calidad del material mientras mantenía un bajo costo. Este proceso que se nos ocurrió es realmente rápido y económico”.

Primero, Sameh y sus colegas vierten resina líquida de color ámbar llamado diciclopentadieno, o DCPD, en un recipiente de vidrio abierto sumergido en agua helada. Calientan un punto central en la resina a 70 ° C. A medida que la reacción se hace cargo, el calor se irradia hacia afuera desde el punto de contacto original a 1 mm/s, más de 100 veces más rápido que las impresoras 3D de escritorio disponibles para uso doméstico y 60 veces más rápido que las especies de bambú de más rápido crecimiento del mundo.

Todo lo que toca el calor se endurece en una esfera en crecimiento, como si el mítico rey Midas se apoderara del núcleo de la Tierra. Autagrutado por la liberación constante del calor, la reacción, la polimerización de la metátesis de apertura de anillo frontal, se calcula y apodó a FHEP, usa energía mínima para endurecer la resina en su forma sólida: poli-diciclopentadieno o P-DCPD.

A medida que la esfera endurecida crece, los investigadores alteran su forma sacándola de la resina como una manzana fuera del caramelo pegajoso. Dado que la reacción líquida a sólida solo ocurre debajo de la superficie, los investigadores pueden levantar, sumergirse o girar la parte sólida como el vidrio soplado para manipular su tamaño y forma. Por ejemplo: para crear un borde corrugado o ondulado, los investigadores levantan la resina ligeramente, la mantienen quieto y repite.

Los investigadores diseñaron su proceso para imitar cómo un árbol se expande constantemente hacia afuera, anillo por anillo. En la naturaleza, los elementos como la gravedad, el viento y la temperatura complementan la tendencia de un árbol a crecer simétricamente, lo que resulta en árboles que se inclinan en el viento o se extienden hacia un parche de luz solar en el dosel del bosque.

Tawfick se enamoró de los patrones de crecimiento de los organismos vivos y las formas resultantes, también conocidas como morfogénesis, sobre la lectura de D’Arcy Wentworth Thompson, “Sobre el crecimiento y la forma”. En agosto pasado, cuando Tawfick fue promovido de profesor asociado a profesor completo, dedicó el libro a la Biblioteca de la Universidad.

Usando su nuevo método, Tawfick y sus colegas fabricaron artículos cotidianos, como un pinecone, una frambuesa y una calabaza. Todas estas son formas axisimétricas, o simétricas alrededor de un eje vertical. Las formas no simétricas son más difíciles, pero posibles; Por ejemplo, los investigadores esculpieron un pájaro kiwi al permitir que el cuerpo esférico se expandiera debajo de la superficie antes de tirar de él justo a tiempo para crear un diminuto cabeza y un pico diminuto.

“Es una aplicación hermosa y simple de un proceso de difusión de reacción, que se encuentra en muchos sistemas naturales. La velocidad y la eficiencia energética del proceso de impresión del crecimiento hacen que este proceso sea particularmente atractivo. En el lado de modelado de este proyecto colaborativo, desarrollamos una herramienta computacional que predice el movimiento ascendente de la varilla necesaria para lograr una forma objetivo del papel fabricado”, dijo el geubelle de geubelas de Philippe en el Illinois de la Aeroespacia y el cooción.

Las limitaciones de este método son las mismas que se encuentran en la naturaleza. Impresión de objetos curvos, como los plátanos, es teóricamente posible pero difícil de programar matemáticamente, al igual que las formas complejas “como una espina en una rosa”, dijo Tawfick.

“Es difícil encontrar un cubo perfecto en la naturaleza. No conozco ninguna planta u organismo que parezca un cubo perfecto. Del mismo modo, nuestro proceso no puede ser un cubo perfecto. Es un espejo interesante de la naturaleza”, dijo.

Tawfick dice que el proceso es “simple y altamente comercializable” y espera que algún día pueda usarse para crear grandes productos a base de polímeros como las cuchillas de turbina eólica.