Accesibilidad de la Impresión 3D Mejora con Nuevas Técnicas de Dos Láseres para Reducir Costos

Un grupo de investigadores innovadores descubrió una forma de reducir los costos de impresión 3D y mejorar el rendimiento mediante un nuevo método de impresión con dos láseres. El equipo de la Universidad de Purdue publicó un estudio detallado de sus hallazgos en la revista científica Optics Express. El estudio profundiza en los detalles de una técnica avanzada de fabricación aditiva con láser de doble color que mejora el modelo actual de polimerización de dos fotones. Aquí está todo lo que necesita saber.

Procesos de Fabricación Aditiva de Hoy

Para comprender completamente la importancia de este estudio, es aconsejable echar un vistazo rápido a la evolución del proceso de fabricación aditiva. El concepto de impresión 3D ha sido un viaje emocionante que a veces parece ciencia ficción. Estos dispositivos han pasado de los cómics a ser uno de los más populares, y a menudo la única forma de crear ciertos dispositivos.

Extrusión de Material

Las primeras impresoras 3D utilizaban un método llamado extrusión de material. Una boquilla calentada tenía un carrete largo de filamento termoplástico que pasaba a través de ella. El filamento se calentaba hasta volverse maleable y luego se aplicaba en capas para formar la forma requerida. Este estilo de impresora 3D es la opción más asequible y ampliamente utilizada hoy en día.

Cama de Polvo

Las impresoras 3D de cama de polvo se utilizan para crear piezas de metal y cerámica. Este método de impresión 3D integra una cama alimentada y una impresora de inyección de tinta que rocía un material aglutinante. Este material crea el objeto capa por capa y es capaz de diseños 3D intrincados. Los desarrollos recientes en este enfoque han hecho posible imprimir múltiples materiales e incluso electrónica.

Deposición Fundida

La deposición fundida utiliza un filamento termoplástico que se deposita mediante métodos de extrusión de material. A partir de ahí, se emplean láseres para moldear y fijar la forma del objeto con gran precisión. Cabe destacar que el uso de láseres en el sector de fabricación aditiva es común, con el primer uso de estereolitografía (SLA) ocurrido en 1984.

Polimerización de Dos Fotones (TPP)

Hoy en día, el método de polimerización de dos fotones (TPP) es el más utilizado para impresiones industriales a escala micrón. Este método se basa en láseres de femtosegundo duales que pueden moldear, curar y solidificar composites diseñados a medida. Proporciona alta precisión y es un método probado para crear microestructuras y otros dispositivos diminutos que serían imposibles con otros métodos.

Problemas con este Enfoque

Varios problemas con el método TPP llevaron a los investigadores a explorar alternativas. Por un lado, los láseres de femtosegundo son muy caros, sensibles y requieren alta precisión. La más mínima alteración puede dejar estos dispositivos necesitando un mantenimiento intensivo.

Investigadores

Reconociendo estas ineficiencias en esta configuración, investigadores liderados por el ingeniero de la Universidad de Purdue, Xianfan Xu, han desarrollado un nuevo enfoque multicapa que promete reducir costos. Para lograr esta tarea, el equipo tuvo que superar una variedad de obstáculos que van desde la interferencia láser hasta el ajuste fino. Así es como lograron superar las probabilidades y crear un proceso de fabricación completamente nuevo con el potencial de revolucionar el mercado.

Estudio de Dos Láseres

El estudio “Two-color 3D printing for reduction in femtosecond laser printing power” examina el uso de un láser de menor potencia para manejar algunas de las tareas que anteriormente requerían unidades de femtosegundo duales. Para lograr esto, el equipo creó una configuración de litografía de dos fotones construida a medida. Este arreglo incluye una ruta láser secundaria al plano de impresión, lo que permite a los investigadores recopilar datos valiosos en tiempo real sobre los efectos del láser.

Paso 1 – Preparar el Material

El primer paso que tomaron los investigadores fue someter el material a un proceso fotoquímico. Este proceso ayuda a reducir las especies inhibidoras en el material, haciéndolo más maleable a los láseres utilizados para el moldeado y curado. Como tal, este paso adicional permitió a los investigadores eliminar el uso de láseres de femtosegundo duales.

Láser de Bajo Costo

El nuevo proceso permitió a los investigadores aprovechar una opción menos costosa para las primeras interacciones láser. El equipo eliminó una unidad de femtosegundo y la reemplazó con una opción de luz visible que trabajó en colaboración con el dispositivo de alta potencia. Este láser de bajo costo se ajustó para complementar al láser de femtosegundo sin añadir interferencia.

Láser de Femtosegundo

El láser de femtosegundo elegido para la prueba fue un láser de fibra pulsado de nanosegundo (ns) de 532 nm de MPB Communications Inc. El dispositivo ofrece alta sintonizabilidad, permitiendo al equipo probar diferentes frecuencias de repetición. Finalmente, el equipo se decidió por una frecuencia de repetición de 80 MHz con un ancho de pulso de 1,2 ns.

Espejos de Dos Láseres

Los pulsos se concentraron aún más mediante una lente de inmersión en aceite Nikon, NA = 1.49 100X. Este enfoque integró espejos ultrarrápidos altamente dispersivos de Edmund Optics como forma de iniciar la precompensación de dispersión. Además, se utilizó un láser helio-neón (HeNe) para garantizar la precisión. Específicamente, este haz aseguró que la trayectoria del láser fuera reproducible.

Un Acto de Equilibrio con Dos Láseres

La precisión necesaria para crear este nuevo proceso de fabricación obligó a los ingenieros a desarrollar un nuevo modelo matemático. Este modelo hizo posible mapear reacciones de fotopolimerización a través de estados. En el pasado, se utilizaban modelos separados para calcular el estado excitado y la cinética de polimerización subsiguiente del láser.

El modelo actualizado permitió a los investigadores medir con precisión el efecto combinado de los procesos de excitación de dos fotones y de un solo fotón en tiempo real. Esta capacidad permitió al equipo determinar los requisitos de consumo de energía más bajos para el láser de femtosegundo, logrando sus tareas sin perder rendimiento.

Pruebas de Dos Láseres

Los investigadores luego comenzaron a probar su creación en varios diseños. Estas diversas estructuras 2D y 3D fueron elegidas por su complejidad y tamaño. El equipo quería asegurarse de que su dispositivo pudiera crearse a escala micrón. Por ello, los primeros objetos que imprimieron fueron pilas de madera detalladas que medían 25 × 25 × 10 μm.

Fuente – Optica

El equipo no se detuvo en las pilas de madera. También imprimieron una buckyball microscópica, una estructura quiral y un nudo de trébol. Estas formas fueron elegidas porque permitieron al equipo demostrar múltiples aspectos de su investigación. Aquí está lo que los resultados de las pruebas dicen sobre sus esfuerzos.

Resultados

Los resultados de las pruebas mostraron una mejora considerable en la unidad. El dispositivo pudo imprimir todas las unidades usando un 50 % menos de energía. La reducción de energía se logró de varias maneras. Primero, los investigadores redujeron los láseres de femtosegundo de un dispositivo de 800 nm a un láser de 530 nm. Este cambio añadió eficiencia sin recortar el rendimiento mediante el nuevo método.

Además, el nuevo proceso pudo producir resultados similares al estándar de la industria usando menos material y tiempo. Específicamente, la absorción de un solo fotón de un láser de longitud de onda visible redujo la concentración de inhibidores mientras proporcionaba resultados comparables.

Integración Fácil

Una de las mayores ventajas de este estudio es que el nuevo método puede integrarse fácilmente en los métodos actuales con costos mínimos. Este enfoque ayudaría a reducir costos al eliminar la necesidad de que los fabricantes compren nuevos dispositivos. En su lugar, sus configuraciones actuales pueden adaptarse para usar el nuevo método de bajo costo.

Aplicaciones de Dos Láseres

Existen varias aplicaciones inmediatas para esta tecnología. La fabricación aditiva es más popular que nunca, y cualquier forma de reducir costos y mejorar el rendimiento seguramente recibirá apoyo del sector. Aquí hay algunas otras aplicaciones para esta tecnología.

Microelectrónica/Robótica

La escala diminuta a la que estos dispositivos pueden imprimir los hace ideales para su uso en microelectrónica y robótica. Estas unidades son notoriamente difíciles de construir y se han convertido en una parte vital de muchas industrias. Como tal, este nuevo proceso de fabricación facilitaría la creación y el prototipado de nuevas estructuras para su uso en estos dispositivos.

Biomédica

La atención sanitaria es otro campo donde se utilizan estas microestructuras y dispositivos. Pequeñas andamios y estructuras se usan ahora para la ingeniería de tejidos y otros dispositivos bio-robóticos. Estas unidades están ayudando a las personas a recuperarse de lesiones más rápido y a disfrutar de una mejor calidad de vida.

Empresas que Podrían Beneficiarse de Esta Investigación Hoy

Muchas empresas diferentes podrían beneficiarse de esta investigación en los próximos años. Desde la biomédica hasta usos militares e industriales, los sistemas de fabricación aditiva micro podrían ver un rendimiento mejorado usando el nuevo método de impresión láser multicolor. Aquí hay algunas empresas que podrían integrar esta tecnología de inmediato y ver resultados.

1. Medtronic

(MDT )

Medtronic, con sede en EE. UU., es un líder global en el campo de dispositivos médicos. El fabricante se fundó en 1949 como una instalación de reparación médica. Hoy, la compañía posee múltiples patentes en tecnología médica y es uno de los nombres más reconocidos en la industria.

Medtronic fue pionero en la industria de marcapasos y fue uno de los primeros en patentar un dispositivo implantable. Desde entonces, ha permanecido como una fuerza dominante en el mercado, continuando la introducción de nueva tecnología para mejorar la vida de los pacientes. La integración de un método de impresión láser de dos colores mejoraría significativamente sus ofertas al permitirles reducir el tamaño de sus dispositivos.

Medtronic es uno de los fabricantes de dispositivos médicos más exitosos del mundo. En 2024, la empresa obtuvo 32 mil millones de dólares en ingresos. Hoy, sus continuas innovaciones y posicionamiento la convierten en una adición ideal a cualquier cartera.

2. Abbott Laboratories

(ABT )

Abbott Laboratories existe desde 1888. Fue fundada en Illinois y rápidamente se convirtió en uno de los nombres más reconocibles de la industria. Abbott Laboratories ofrece una selección de productos, incluidos fármacos, dispositivos médicos, suplementos dietéticos y suplementos nutricionales.

Abbott Laboratories tiene productos que abarcan múltiples sectores de la industria médica. Específicamente, son reconocidos por sus ofertas cardiovasculares, de diagnóstico, diabetes y neuromodulación. Además, operan subsidiarias muy populares, incluidas Pedialyte y Similac, productores líderes de fórmula para bebés.

El desempeño de sus acciones se ha mantenido en alza para Abbott Laboratories. La combinación de dispositivos médicos y ofertas nutricionales de la compañía la convierte en una “posición de compra” sólida para cualquier inversor. El futuro se ve brillante para esta empresa, que ahora desempeña un papel fundamental en la provisión de dispositivos de salud cardíaca a nivel mundial.

Futuro

Pocas industrias han visto una innovación como la del mercado de fabricación aditiva. Este último desarrollo ayudará a impulsar el uso de estos dispositivos en robótica miniaturizada y dispositivos electrónicos como wearables. En el futuro, los microwearables y los dispositivos médicos implantables asumirán un papel más central dentro de la industria. Aquí hay algunos otros avances recientes en impresión 3D que podrían ayudar a impulsar la adopción.

Impresoras Espaciales

Ha habido desarrollos recientes en el sector de impresión espacial. Estas unidades difieren de sus contrapartes humanas en que deben poder imprimir capas sin la ayuda de la gravedad. Esta tarea no es fácil de lograr, ya que todos los métodos actuales requieren un enfoque de capas.

Los investigadores pudieron superar estos problemas utilizando matemáticas intrincadas y encerrando el dispositivo. El recinto sirve a múltiples propósitos, incluida la protección de los astronautas contra vapores mortales u otros percances que podrían poner en riesgo la atmósfera altamente sensible de una nave espacial.

Impresoras IA

Las impresoras 3D con IA se están volviendo más comunes. La integración de algoritmos avanzados de IA está teniendo un efecto resonante en casi todas las industrias tecnológicas. En el futuro, podrá solicitar impresiones 3D simplemente mediante chat o voz.

La IA continúa proporcionando una forma simplificada para que las personas superen barreras técnicas. Como tal, es vista por muchos como uno de los desarrollos más importantes del mercado. En el futuro, las estaciones de impresión 3D con IA y otros servicios serán habituales. Por ahora, esta tecnología sigue simplificando interacciones y eliminando obstáculos técnicos para los nuevos usuarios.

Robots Autoreparables

Otro escenario de ciencia ficción que se ha convertido en realidad son los robots autoreparables. No tomó mucho tiempo para que los investigadores crearan una impresora 3D que pudiera imprimir todas las piezas que necesitaba para operar. Ahora, este mismo concepto se aplicará a la robótica. Los robots que se curan y reparan ayudarán a la sociedad a funcionar en el futuro, asumiendo tareas y trabajos difíciles que la persona promedio no podría manejar.

La Impresión Láser de Dos Colores es una Mejora Importante

El trabajo que estos investigadores han realizado tendrá un efecto resonante en la industria de la impresión 3D en el futuro. Puede esperar ver más micro-robótica y dispositivos electrónicos que aprovechen este método como medio para reducir costos y mejorar resultados. Como tal, este equipo ha sentado las bases para una nueva era en la fabricación aditiva micro.

Conozca otros proyectos interesantes de fabricación aditiva ahora.