La posibilidad de construir una máquina de diálisis utilizando únicamente una impresora 3D podría estar más cerca de lo que pensamos. Esto no solo reduciría costos y eliminaría el desperdicio de fabricación, sino que también permitiría producir este dispositivo médico fuera de una fábrica, facilitando el acceso a personas con recursos limitados o que viven en áreas remotas.
Aunque aún existen varios desafíos por superar para desarrollar dispositivos electrónicos completamente impresos en 3D, un equipo de ingenieros del MIT ha dado un paso importante en esta dirección demostrando la capacidad de imprimir completamente en 3D solenoides tridimensionales.
Los solenoides, electroimanes formados por una bobina de alambre enrollada alrededor de un núcleo magnético, son un componente fundamental de muchos dispositivos electrónicos, desde máquinas de diálisis y respiradores hasta lavadoras y lavavajillas.
Los investigadores modificaron una impresora 3D multimaterial para que pudiera imprimir solenoides compactos con núcleo magnético en un solo paso, eliminando defectos que podrían introducirse durante los procesos de ensamblaje posterior.
Esta impresora personalizada, capaz de utilizar materiales de mayor rendimiento que las impresoras comerciales típicas, permitió a los investigadores producir solenoides que podían soportar el doble de corriente eléctrica y generar un campo magnético tres veces mayor que otros dispositivos impresos en 3D.
Además de abaratar el coste de los electrónicos en la Tierra, este hardware de impresión podría ser particularmente útil en la exploración espacial. Por ejemplo, en lugar de enviar repuestos electrónicos a una base en Marte, lo cual podría llevar años y costar millones de dólares, se podría enviar un archivo para la impresora 3D, explica Luis Fernando Velásquez-García, científico principal de investigación en los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas del MIT (MTL).
Velásquez-García, autor principal del nuevo estudio publicado en la revista Virtual and Physical Prototyping, junto con Jorge Cañada, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación; y Hyeonseok Kim, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica, ven la fabricación aditiva como una vía para democratizar estas tecnologías.
Ventajas Aditivas
Un solenoide genera un campo magnético cuando se le aplica corriente eléctrica. Por ejemplo, cuando alguien toca un timbre, la corriente eléctrica fluye a través de un solenoide, generando un campo magnético que mueve una varilla de hierro y golpea un timbre.
Integrar solenoides en circuitos eléctricos fabricados en salas limpias presenta desafíos significativos, ya que tienen factores de forma muy diferentes y se fabrican mediante procesos incompatibles que requieren ensamblaje posterior. Por ello, los investigadores han investigado la fabricación de solenoides utilizando muchos de los mismos procesos que se utilizan para fabricar chips semiconductores. Sin embargo, estas técnicas limitan el tamaño y la forma de los solenoides, lo que afecta su rendimiento.
Con la fabricación aditiva, es posible producir dispositivos de casi cualquier tamaño y forma. Sin embargo, esto presenta sus propios desafíos, ya que hacer un solenoide implica enrollar capas delgadas hechas de múltiples materiales que pueden no ser compatibles con una sola máquina.
Para superar estos desafíos, los investigadores necesitaron modificar una impresora 3D de extrusión comercial.
La impresión por extrusión fabrica objetos capa por capa, expulsando material a través de una boquilla. Típicamente, una impresora utiliza un tipo de material, a menudo carretes de filamento.
Algunas personas en el campo los menosprecian porque son simples y no tienen muchas características adicionales, pero la extrusión es uno de los pocos métodos que te permite hacer impresión monolítica multimaterial.
Luis Fernando Velásquez-García
Esto es clave, ya que los solenoides se producen mediante la estratificación precisa de tres materiales diferentes: un material dieléctrico que actúa como aislante, un material conductor que forma la bobina eléctrica y un material magnético blando que constituye el núcleo.
El equipo seleccionó una impresora con cuatro boquillas, una dedicada a cada material para evitar la contaminación cruzada. Necesitaban cuatro extrusoras porque probaron dos materiales magnéticos blandos, uno basado en un termoplástico biodegradable y el otro en nailon.
Impresión con Pellets
Los ingenieros adaptaron la impresora para que una de las boquillas pudiera extruir pellets en lugar de filamento. El nylon magnético suave, hecho de un polímero flexible incrustado con micropartículas metálicas, es prácticamente imposible de producir en forma de filamento. Sin embargo, este material de nylon ofrece un rendimiento mucho mejor que las alternativas basadas en filamentos.
El uso del material conductor también presentó desafíos, ya que comenzaba a derretirse y obstruía la boquilla. Los investigadores descubrieron que añadir ventilación para enfriar el material evitaba este problema. También construyeron un nuevo soporte para el carrete de filamento conductor que estaba más cerca de la boquilla, reduciendo la fricción que podría dañar las delgadas hebras.
A pesar de las modificaciones del equipo, el hardware personalizado costó alrededor de $4,000, lo que hace que esta técnica sea potencialmente más accesible para otros a un costo menor que otros enfoques, añade Velásquez-García.
El hardware modificado imprime un solenoide del tamaño de un cuarto de dólar estadounidense en forma de espiral, apilando material alrededor del núcleo magnético suave, con capas conductoras más gruesas separadas por capas aislantes delgadas.
Controlar el proceso con precisión es de suma importancia, ya que cada material se imprime a una temperatura diferente. Depositar uno sobre otro en el momento incorrecto podría hacer que los materiales se mezclen.
Debido a que su máquina podía imprimir con un material magnético suave más efectivo, los solenoides lograron un rendimiento superior al de otros dispositivos impresos en 3D.
El método de impresión les permitió construir un dispositivo tridimensional compuesto por ocho capas, con bobinas de material conductor y aislante apiladas alrededor del núcleo como una escalera de caracol. Múltiples capas aumentan el número de bobinas en el solenoide, lo que mejora la amplificación del campo magnético.
Gracias a la precisión añadida del impresor modificado, pudieron hacer solenoides que eran aproximadamente un 33% más pequeños que otras versiones impresas en 3D. Más bobinas en un área más pequeña también mejoran la amplificación.
Al final, sus solenoides pudieron producir un campo magnético que era aproximadamente tres veces mayor que lo que pueden lograr otros dispositivos impresos en 3D.
No fuimos las primeras personas en poder hacer inductores impresos en 3D, pero sí fuimos los primeros en hacerlos tridimensionales, y eso amplifica en gran medida los tipos de valores que puedes generar. Y eso se traduce en poder satisfacer una gama más amplia de aplicaciones.
Luis Fernando Velásquez-García
Por ejemplo, aunque estos solenoides no pueden generar tanto campo magnético como los fabricados con técnicas tradicionales, podrían usarse como convertidores de energía en sensores pequeños o actuadores en robots blandos.
Mirando hacia el futuro, los investigadores buscan continuar mejorando su rendimiento.
Por un lado, podrían probar el uso de materiales alternativos que podrían tener mejores propiedades. También están explorando modificaciones adicionales que podrían controlar más precisamente la temperatura a la que se deposita cada material, reduciendo los defectos.
Deja una respuesta