Fabricación aditiva
Partículas Microscópicas Impresas en 3D Podrían Cambiar la Medicina y la Electrónica
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Las revoluciones en el mundo de la impresión 3D están ocurriendo a gran velocidad. A principios de este mes, una empresa en Alemania creó la Wave House usando impresión 3D. Es el edificio impreso en 3D más grande de Europa, con una superficie de 600 m² (6.600 pies²), y tiene una apariencia inusual ya que presenta un diseño de ola que no podía realizarse mediante métodos de construcción convencionales. La tecnología de impresión 3D para construcción brindó libertad de diseño y tomó aproximadamente 140 horas.
La semana pasada, la primera mezquita impresa en 3D del mundo, con una superficie de 5.600 m², se inauguró en Yeda, Arabia Saudita. La construcción de la mezquita tomó seis meses.
En cuanto a la tecnología de impresión 3D, la empresa con sede en Texas, ICON, recientemente presentó su impresora 3D montada en un brazo robótico llamada Phoenix. Esta impresora puede crear estructuras de varios pisos con sistemas totalmente cerrados a partir de una mezcla de bajo carbono. Con 70 pies de altura, Phoenix permite construcciones más altas (hasta 27 pies) que la impresora actual de ICON, la Vulcan, que tiene un sistema de pórtico con el chasis más cerca del suelo.
La empresa también ha anunciado el desarrollo de una nueva mezcla de material llamada CarbonX, que es “el sistema de construcción residencial de menor carbono listo para usarse a escala”. Además, ICON ha integrado IA en sus sistemas para que cualquiera pueda diseñar esquemas de viviendas imprimibles en 3D a través de su plataforma Vitruvius.
Pero eso no es todo. El mes pasado, la impresión 3D permitió la creación de ojos protésicos extremadamente realistas en solo 90 minutos, en contraste con las 8 horas habituales que le lleva a un técnico especializado producir uno manualmente. Además, está la impresión 3D de drones, propulsores y explosivos.
La impresión 3D, como hemos mencionado, avanza claramente a un ritmo rápido, lo cual tiene sentido, dado que el interés en este campo está aumentando enormemente. El creciente interés se debe a la capacidad de esta técnica para crear formas personalizadas e imprimir múltiples tipos de material en una sola pieza, ahorrando dinero y material mientras es ecológica.
También llamada fabricación aditiva, la impresión 3D implica depositar un material capa por capa usando una impresora para construir un objeto. Sin embargo, no está exenta de desafíos, especialmente en cuanto a materiales limitados, conformado de ciertos materiales, tamaño restringido, imprecisiones de diseño y más.
Por lo tanto, los científicos están trabajando en encontrar formas de superar estos desafíos y hacer que la impresión 3D sea aún más eficaz y viable a escala.
Recientemente, un estudio ideó un nuevo proceso de impresión 3D a microescala que produce partículas, a una velocidad de hasta 1 millón al día, en casi cualquier forma para su uso en fabricación, medicina e investigación.
Partículas Microscópicas Impresas en 3D
Publicado en Nature, el estudio se titula “Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles” y fue realizado por investigadores de la Universidad de Stanford.
Los participantes del estudio incluyen a Jason M. Kronenfeld, estudiante de doctorado del Departamento de Química de Stanford, mientras que Lukas Rother y Maria T. Dulay trabajan en el Departamento de Radiología. Tanto Max A. Saccone como Joseph M. DeSimone pertenecen al Departamento de Radiología y al Departamento de Ingeniería Química.
En el estudio, los investigadores observaron cómo la fabricación de partículas está ganando popularidad gracias a sus diversas aplicaciones en microelectrónica, abrasivos, sistemas granulares, microfluidos, bioingeniería y entrega de fármacos y vacunas.
Aunque estas partículas impresas en 3D extremadamente pequeñas tienen una amplia gama de aplicaciones, requieren una coordinación precisa entre el movimiento del escenario, la entrega de luz y las propiedades de la resina (una sustancia muy pegajosa). Esto dificulta la fabricación escalable de dichas partículas personalizadas a microescala.
Por ello, los investigadores de Stanford introdujeron una técnica de impresión 3D de alta resolución, escalable para la fabricación de partículas con formas específicas. Esta técnica de procesamiento, basada en la producción continua de interfaz líquida roll-to-roll (r2rCLIP), es mucho más eficiente para imprimir grandes cantidades de partículas microscópicas personalizables y altamente detalladas por día.
Según el autor principal del estudio, Kronenfeld, candidato a doctorado en el laboratorio DeSimone, esta técnica permite crear formas más complejas a escala microscópica, a partir de una amplia gama de materiales, y a velocidades que no se habían visto antes para la fabricación de partículas.
La investigación se basa en la técnica de impresión llamada producción continua de interfaz líquida (CLIP), que se introdujo hace casi una década, en 2015, por DeSimone y colegas.
CLIP utiliza luz UV y la proyecta en capas para curar la resina rápidamente en la forma deseada. Lo que distingue a esta técnica es que, sobre el proyector de luz UV, hay una ventana que permite la penetración de oxígeno. Esta ventana permeable al oxígeno evita que la resina líquida se adhiera a ella al crear lo que se llama una “zona muerta”. Así, podemos curar características delicadas sin desprender cada capa de la ventana, lo que resulta en una impresión de partículas más rápida.
El coautor DeSimone, quien es el Profesor Sanjiv Sam Gambhir de Medicina Traslacional en Stanford y ha sido responsable de varios avances en los campos de dispositivos médicos, nanomedicina e impresión 3D, dijo:
“Usar luz para fabricar objetos sin moldes abre un nuevo horizonte en el mundo de las partículas.”
Lograrlo a escala puede ofrecer aún más oportunidades para usar estas partículas “para impulsar las industrias del futuro”, añadió.
r2rCLIP para Habilitar la Producción Masiva
Basado en CLIP, los investigadores crearon un nuevo proceso para la producción masiva de partículas de forma única nanoscala. Primero, tensaron cuidadosamente una película y la enviaron a la impresora CLIP, donde se imprimieron cientos de formas en la película simultáneamente.
Luego, se pasa al lavado, curado y eliminación de las formas. Todos estos pasos pueden personalizarse según el material utilizado y la forma involucrada. Finalmente, la película vacía se vuelve a enrollar, de ahí el nombre roll-to-roll CLIP, o r2rCLIP.
El uso de ópticas de resolución micrón de un solo dígito, junto con un rollo continuo de película en lugar de una plataforma estática, permitió a los investigadores lograr una fabricación rápida y permutable, así como la separación de partículas de diferentes materiales y con geometrías más intrincadas.
Según el estudio, las geometrías incluían aquellas que no podían lograrse con técnicas avanzadas basadas en moldes, demostrando así las capacidades únicas del enfoque del equipo.
Se mostraron tanto las formas moldeables como las no moldeables de r2rCLIP con tamaños de voxel (una muestra única en una cuadrícula 3D regular) de 2,0 × 2,0 µm² en impresión y con un grosor sin soporte de 1,1 ± 0,3 µm.
Antes del roll-to-roll CLIP, un lote de partículas impresas debía procesarse manualmente, lo que era un proceso lento que requería gran esfuerzo físico. La automatización de r2rCLIP ahora permite una fabricación a un nivel sin precedentes, es decir, hasta 1.000.000 de partículas cada día.
El proceso de impresión de partículas logró una automatización completa mediante la sustitución de la placa de construcción estática de la impresora CLIP por un sistema modular de película continua roll-to-roll. Esto permite un post-procesamiento en línea automatizado que incluye limpieza, curado posterior y separación de partículas (cosecha).
En su artículo, el equipo señaló que una gran ventaja de usar su técnica roll-to-roll CLIP para la fabricación de partículas es su proceso innato sin moldes. Esto permite la producción de una amplia gama de geometrías de partículas sin necesidad de cambiar el diseño.
En cuanto a la fabricación de partículas, diferentes enfoques implican compromisos entre escalabilidad, velocidad, uniformidad, propiedades del material y control geométrico. Por ejemplo, aunque algunos procesos pueden imprimir a escala nanométrica, tienden a ser más lentos.
“Estamos navegando un equilibrio preciso entre velocidad y resolución”, dijo Kronenfeld. Su técnica, señaló, es “distintivamente capaz” de fabricar resultados de alta resolución, pero también puede mantener la velocidad necesaria para cumplir con los volúmenes de producción de partículas requeridos para diferentes aplicaciones.
Añadió:
“Las técnicas con potencial de impacto traslacional deben ser adaptables de manera factible desde la escala del laboratorio de investigación hasta la producción industrial.”
Amplias Aplicaciones
La investigación, financiada por el Programa de Beca de Investigación de Posgrado de la National Science Foundation y la Fundación Bill & Melinda Gates, tiene como objetivo ser adoptada ampliamente por otros investigadores e industrias.
Con la impresión 3D evolucionando rápidamente, r2rCLIP se presenta aquí como “una tecnología fundamental”, dijo DeSimone, quien es director fundador del Center for STEMM Mentorship de Stanford, codirector del Canary Center en Stanford para la detección temprana del cáncer, y fellow de la facultad de Sarafan ChEM-H.
Sin embargo, según DeSimone, la industria está comenzando a centrarse en productos 3D más que en estos procesos, los cuales están “volviéndose claramente valiosos y útiles”. Entonces, la pregunta ahora es:
“¿Cuáles son las aplicaciones de alto valor?”
Según el estudio, las partículas microscópicas con diseños intrincados permiten la integración directa en aplicaciones analíticas, biomédicas y de materiales avanzados.
Los propios investigadores han estado experimentando con la producción de partículas blandas y duras, hechas de hidrogeles, que pueden tener aplicaciones en la liberación de fármacos en el cuerpo, y cerámicas, que pueden usarse en la fabricación de microelectrónica.
Al utilizarlos en la producción de partículas de hidrogel, es posible rellenar estas partículas para lograr perfiles de liberación ajustables, gradientes o pulsátiles en una única inyección. Muchos estudios previos exploraron la creación de sistemas de resina fotopolimérica adecuados y examinaron la influencia de la forma, tamaño y biocompatibilidad de los materiales en la localización y entrega. Esto condujo a la creación de bioesqueletos y manifolds de entrega, lo que abrió numerosas perspectivas para fabricar partículas de hidrogel para la liberación de fármacos, a pesar de no involucrar un procedimiento de fabricación escalable y permutable.
Aquí, el equipo fabricó cubos de hidrogel de 400 µm de tamaño unitario y los rellenó manualmente con aproximadamente ocho nl de carga representativa después de la impresión, seguido de una tapa de hidrogel. El estudio destacó el potencial de una paleta programable de liberación de carga mediante investigaciones futuras, basándose en estudios previos sobre la cinética de vehículos de liberación de fármacos y aprovechando las propiedades ajustables del peso molecular y el grosor de la pared.
La versatilidad material y mecánica, desde cerámica hasta hidrogel, también puede ayudar en la creación de materiales inteligentes. Por lo tanto, al demostrar el potencial de fabricación en un rango tan amplio, este enfoque de producción de partículas escalable también tiene aplicaciones potenciales en microherramientas y electrónica, añadió.
El alto rendimiento de la técnica (r2rCLIP), por otro lado, tiene implicaciones directas para la producción a escala industrial de microdispositivos como microrobots y sistemas de entrega de carga. Esto es particularmente favorable para la producción de materiales cerámicos.
Al utilizar resinas precerámicas para fabricar partículas cerámicas técnicas a escala masiva, el estudio indica que puede tener aplicaciones potenciales en sistemas microelectromecánicos, técnicas de planarización mecánica como componentes de lechada, y partículas conductoras que permitirán aplicaciones industriales como telecomunicaciones y atención médica.
Según Dulay, científica senior de investigación:
“Hay una amplia gama de aplicaciones, y apenas estamos comenzando a explorarlas. Es bastante extraordinario dónde estamos con esta técnica.”
Empresas que Utilizan Enfoques Innovadores en la Fabricación Aditiva
Ahora, echemos un vistazo a un par de empresas que lideran el camino en la impresión 3D:
#1. HP Inc.
Un nombre bien conocido en la industria de la impresión tradicional, HP Inc. (HPQ ) ha realizado muchos avances en la impresión 3D, que incluye su tecnología Multi Jet Fusion (MJF), diseñada para producción industrial. Ofrece impresión 3D de alta velocidad y la capacidad de controlar las propiedades de cada voxel individual. La Jet Fusion de la empresa para producción industrial y prototipado incluye la Serie 5600 para optimizar aplicaciones de producción flexible a escala, la Serie 5400 para aplicaciones de alta calidad en blanco, la Serie 5200 para producir piezas 3D finales de alto valor, y la Serie 4200 para optimizar productividad y costo.
Esta semana, HP planea exhibir piezas impresas en 3D aprovechando su nuevo material, PA 12 S, en la conferencia anual AM Forum en Berlín. El material está hecho a medida para las soluciones de polímeros 3D de la empresa utilizadas en industrias y ofrece beneficios como reducción de costos y excelente estética superficial.
HPQ Gráfico de precios
Con una capitalización de mercado de $29.83 mil millones, las acciones de la empresa cotizan a $30.66, un 1.1% al alza en lo que va del año (YTD). La compañía ha reportado ingresos (TTM) de $53.1 mil millones, un EPS (TTM) de 3.41 y un P/E (TTM) de 8.91. Paga un rendimiento de dividendo del 3.62%..
#2. Materialise NV
Esta empresa con sede en Bélgica ofrece una amplia gama de servicios de impresión 3D, incluyendo impresión de metal y polímero. La compañía es particularmente conocida por su experiencia en el sector de la salud, donde utiliza la impresión 3D para implantes, guías quirúrgicas y modelos anatómicos.
A finales del año pasado, Ricoh, una empresa japonesa de imágenes y electrónica, se asoció con Materialise para llevar la impresión 3D en el punto de atención a hospitales de EE. UU., lo que permitirá la producción de modelos anatómicos de la anatomía de un paciente. Y el mes pasado, Materialise lanzó un tratamiento personalizado de articulación temporomandibular (TMJ) impresa en 3D.
MTLS Gráfico de precios
Con una capitalización de mercado de $293.56 millones, las acciones de la compañía cotizan a $5.36, una caída de más del 24% YTD. La empresa ha reportado ingresos (TTM) de $278.69 millones, un EPS (TTM) de 0.13 y un P/E (TTM) de 39.57.
Recientemente, la compañía anunció sus resultados financieros para el cuarto trimestre y todo 2023, durante los cuales sus ingresos aumentaron un 4.1% a €65.3 millones y un 10.4% a €256.1 millones, respectivamente, a pesar de las “condiciones macroeconómicas y geopolíticas turbulentas”.
Materialise también reportó €128 millones en efectivo y equivalentes, lo que su CEO Brigitte de Vet-Veithen dijo, junto con financiamiento adicional asegurado, la coloca “bien posicionada” para seguir ofreciendo soluciones innovadoras de productos y software 3D.
Conclusión
Como señalamos arriba, la impresión 3D tiene grandes beneficios en varias industrias, incluyendo la médica, automotriz, aeroespacial, bienes de consumo, joyería y defensa y militar. Aunque ya está generando creciente curiosidad y uso, su adopción solo aumentará en los próximos años a medida que más investigaciones permitan la producción de objetos a escala. El futuro de la impresión 3D es simplemente brillante, mostrando la promesa de revolucionar la fabricación y crear un futuro más resiliente.
