La impresión 3D multimaterial permite a los fabricantes crear dispositivos personalizados con múltiples colores y diferentes texturas. Pero el proceso puede llevar mucho tiempo y ser un desperdicio porque las impresoras 3D existentes deben cambiar entre múltiples boquillas, y a menudo descartan un componente antes de comenzar a depositar otro.
Investigadores del MIT y la Universidad Tecnológica de Delft han introducido una técnica más eficiente, menos derrochadora y de alta precisión que utiliza materiales sensibles al calor para imprimir objetos con múltiples colores, matices 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 alguna reacción utilizando calor, como cambios de opacidad o rugosidad.
Al controlar la velocidad de la segunda boquilla, los investigadores pueden calentar el material a una temperatura específica, ajustando el color, el tono y la rugosidad del filamento sensible al calor. Es importante destacar que este método no requiere ninguna modificación de hardware.
Los investigadores desarrollaron un modelo que predice cuánto calor transferirá la boquilla de “hierro” al material en función de su velocidad. Utilizaron este modelo como base para una interfaz de usuario que genera automáticamente instrucciones de impresión que capturan las propiedades de color, sombra y textura.
Se puede utilizar una plancha de velocidad modulada para crear efectos artísticos cambiando el color de un objeto impreso. La técnica también puede crear mangos texturizados que serán más fáciles de agarrar para las personas con manos más débiles.
“Hoy en día, tenemos impresoras de escritorio que utilizan una combinación inteligente de varias tintas para crear una variedad de tonos y texturas. Queremos poder hacer lo mismo con una impresora 3D: usar materiales para crear un conjunto limitado de propiedades. Para los objetos impresos en 3D, hay un conjunto mucho más diverso”, afirma Mustafa Doga Dogan PhD ’24, coautor de un artículo sobre el planchado con velocidad modulada.
El proyecto es una colaboración entre el grupo de investigación de la profesora adjunta de TU Delft, Jezenja Dubrowski, y la profesora de desarrollo profesional de TIBCO, Stephanie Müller, del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT y becaria de Ciencias de la Computación del MIT. y Laboratorio de Inteligencia Artificial (CSAIL). Dogan trabajó en estrecha colaboración con el autor principal de TU Delft, Mehmet Ozdemir; Marwa Alawi, 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 ha resultado prometedor, pero la mayoría de los métodos existentes utilizan una única boquilla para imprimir y calentar. La impresora siempre debe calentar la boquilla a la temperatura objetivo deseada antes de depositar el material.
Sin embargo, se necesita mucho tiempo para calentar y enfriar la boquilla y existe el peligro de que se degrade cuando el filamento de la boquilla alcanza altas temperaturas.
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 una reacción del material, los investigadores mantuvieron constante la temperatura de la segunda boquilla y variaron la velocidad a la que se movía sobre el material impreso, tocando ligeramente la parte superior del sustrato.
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 usando calor para activar alguna reacción, como un cambio en la opacidad o el grosor. “Al cambiar la velocidad, permite que la capa impresa alcance diferentes temperaturas. Es lo mismo que pasa si pasas el dedo sobre una llama. Si lo mueves rápido no te quemarás, pero si lo mueves lentamente sobre la llama, arrástrelo, su dedo alcanzará altas temperaturas”, dice Alawi.
El equipo del MIT colaboró con investigadores de TU Delft para desarrollar modelos teóricos que predicen qué tan rápido debe moverse la segunda boquilla para calentar el material a una temperatura determinada.
El modelo correlaciona la temperatura de salida de un material con sus propiedades de respuesta al calor para determinar la velocidad correcta de la boquilla que logrará un color, tono o textura específicos en el objeto impreso.
“Hay muchos datos que pueden afectar los resultados que obtenemos. Estamos modelando algo que es muy complejo, pero queremos asegurarnos de que los resultados sean precisos”, dijo Allawi.
El equipo investigó la literatura científica para determinar el coeficiente exacto de transferencia de calor de un material único, que incorporaron a su modelo. También tuvieron que lidiar con una serie de variables impredecibles, como el calor que podía disipar el ventilador y la temperatura del aire en la habitación donde se estaba 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 boquillas duales.
Fabricación rápida y delicada
Probaron su enfoque con tres filamentos sensibles al calor. El primero, un polímero espumante con partículas que se expanden al calentarse, otorga diferentes tonalidades, translucidez y texturas. Experimentaron con un filamento lleno de fibras de madera y una fibra de corcho, las cuales pueden quemarse para producir sombras cada vez más oscuras.
Los investigadores demostraron cómo su método podría crear objetos como botellas de agua que son parcialmente transparentes. Para hacer las botellas de agua, plancharon el polímero espumante a baja velocidad para crear áreas opacas y a alta velocidad para crear áreas transparentes. Utilizan polímeros espumantes para crear un mango de bicicleta con rugosidad variable para mejorar el agarre del ciclista.
Intentar crear objetos similares utilizando la impresión 3D multimaterial tradicional lleva mucho más tiempo, a veces añadiendo horas al proceso de impresión y consumiendo más energía y materiales. Además, el planchado con velocidad modulada puede crear degradados de textura y sombras finas que otros métodos no pueden lograr.
En el futuro, los investigadores quieren experimentar con otros materiales térmicamente sensibles, como los plásticos. Esperan explorar el uso del planchado con movimiento modulado para modificar las propiedades mecánicas y acústicas de ciertos materiales.