La impresión 3D multimaterial permite a los fabricantes fabricar dispositivos personalizados con múltiples colores y texturas variadas. Pero el proceso puede consumir mucho tiempo y ser un desperdicio porque las impresoras 3D existentes deben cambiar entre múltiples boquillas, desechando a menudo un material antes de poder comenzar a depositar otro.
Investigadores del MIT y la Universidad Tecnológica de Delft han introducido una técnica más eficiente, menos derrochadora y de mayor precisión que aprovecha materiales sensibles al calor para imprimir objetos que tienen múltiples colores, sombras y texturas en un solo paso.
Su método, llamado planchado de velocidad modulada, utiliza una impresora 3D de doble boquilla. La primera boquilla deposita un filamento sensible al calor y la segunda boquilla pasa sobre el material impreso para activar ciertas respuestas, como cambios de opacidad o aspereza, utilizando 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 de 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 con velocidad modulada para crear efectos artísticos variando el color de un objeto impreso. La técnica también podría producir mangos texturizados que serían más fáciles de agarrar para personas con debilidad en las manos.
«Hoy en día, tenemos impresoras de escritorio que usan una combinación inteligente de algunas tintas para generar una variedad de tonos y texturas. Queremos poder hacer lo mismo con una impresora 3D: usar un conjunto limitado de materiales para crear una conjunto de características mucho más diverso para los objetos impresos en 3D», dice Mustafa Doga Dogan PhD ’24, coautor de un artículo sobre el planchado con velocidad modulada.
Este proyecto es una colaboración entre los grupos de investigación de Zjenja Doubrovski, profesora asistente en TU Delft, y Stefanie Mueller, profesora de desarrollo profesional de TIBCO en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT y miembro del MIT Computer Science. y Laboratorio de Inteligencia Artificial (CSAIL). Dogan trabajó en estrecha colaboración con el autor principal, Mehmet Ozdemir, de TU Delft; Marwa AlAlawi, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica del MIT; y José Martínez Castro de TU Delft. La investigación se presentará en el Simposio ACM sobre software y tecnología de interfaz de usuario.
Modulación de velocidad para controlar la temperatura.
Los investigadores lanzaron el proyecto para explorar mejores formas de lograr la impresión 3D multipropiedad con un solo material. El uso de filamentos sensibles al calor fue 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 objetivo 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 desencadenar 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 con velocidad modulada, la primera boquilla 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 el grosor, utilizando calor. «A medida que modulamos la velocidad, eso permite que la capa impresa que estamos planchando alcance diferentes temperaturas. Es similar a lo que sucede si pasas el dedo sobre una llama. Si lo mueves rápidamente, es posible que no te quemes, pero si arrástrelo lentamente sobre la llama, su dedo alcanzará una temperatura más alta», dice AlAlawi.
El equipo del MIT colaboró con los investigadores de 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, sombras o texturas en el objeto impreso.
«Hay muchos aportes que pueden afectar los resultados que obtenemos. Estamos modelando algo que es muy complicado, pero también queremos asegurarnos de que los resultados sean detallados», dice AlAlawi.
El equipo investigó 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 imprime 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 la máquina que controlan la velocidad a la que las boquillas dobles imprimen y planchan el objeto.
Fabricación más rápida y más fina
Probaron su enfoque con tres filamentos sensibles al calor. El primero, un polímero espumante con partículas que se expanden a medida que se calientan, produce diferentes tonos, translucidez y texturas. También experimentaron con un filamento relleno de fibras de madera y otro con fibras de corcho, los cuales pueden carbonizarse para producir tonos cada vez más oscuros.
Los investigadores demostraron cómo su método podría producir objetos como botellas de agua que son parcialmente translúcidos. Para hacer las botellas de agua, plancharon el polímero espumante a bajas velocidades para crear regiones opacas y a velocidades más altas para crear regiones translúcidas. También utilizaron el polímero espumante para fabricar un mango de bicicleta con rugosidad variada para mejorar el agarre del ciclista.
Intentar producir objetos similares utilizando la impresión 3D multimaterial tradicional llevó mucho más tiempo, a veces añadiendo horas al proceso de impresión y consumiendo más energía y material. Además, el planchado con velocidad modulada podría producir gradientes de textura y tono de grano fino que otros métodos no podrían lograr.
En el futuro, los investigadores quieren experimentar con otros materiales térmicamente sensibles, como los plásticos. También esperan explorar el uso del planchado con velocidad modulada para modificar las propiedades mecánicas y acústicas de ciertos materiales.
