Impresión 3D incrustada imita la naturaleza, abriendo nuevas posibilidades para los semiconductores

Los fabricantes han mejorado sus métodos de impresión 3D incrustada en los últimos 5 años. Sin embargo, sigue existiendo una limitación que nadie ha logrado eliminar: la capacidad de imprimir rápidamente estructuras ultrafinas, como las que se encuentran en la naturaleza. Debido a sus características microscópicas, estas estructuras pueden construirse increíblemente fuertes y resistentes, lo que las hace ideales para las aplicaciones de alto rendimiento de hoy.

Afortunadamente, un equipo innovador de investigadores puede haber descubierto un nuevo método de impresión 3D que imita la naturaleza, abriendo la puerta a una variedad de nuevos usos, potencialmente incluida la creación de semiconductores incrustados. Esto es lo que necesitas saber.

Imitar la naturaleza

La naturaleza tiene muchos usos para estructuras fibrosas delgadas, como pelos o los vasos sanguíneos finos que permiten que tus músculos reciban oxígeno a través del torrente sanguíneo. Para algunos animales, estos pelos finos pueden actuar como sensores en forma de bigotes. En otras especies, como las arañas, pueden usarse como trampa o como medio para construir un refugio.

Los lagartos y muchos otros animales utilizan características similares a pelos para escalar paredes verticales. Incluso hay casos en los que estructuras delgadas tipo pelo se usan como mecanismo de defensa. El pez hormiga (hagfish) expulsa un gel fibroso sobre los depredadores que cubre sus branquias y ojos, esencialmente asfixiando y cegando a cualquier posible depredador.

Los ingenieros han deseado durante mucho tiempo replicar muchas de estas ocurrencias naturales, pero las limitaciones de los procesos de fabricación actuales lo han hecho imposible. Los avances recientes en tecnología de impresión 3D incrustada de alta resolución han ayudado a resolver algunos de los problemas, pero muchos persisten. Ahora, un nuevo método de impresión 3D promete proporcionar las piezas faltantes del rompecabezas, permitiendo una nueva ola de estructuras de diseño ultra finas.

Métodos tradicionales de impresión 3D

La impresión 3D tradicional utiliza una boquilla y un solvente que se extruyen capa por capa en un entorno de aire abierto. El material se seca luego mediante tiempo, calor o incluso láseres. Los avances recientes han permitido que la impresión 3D tradicional produzca extrusiones más delgadas, pero aún falta mucho en cuanto a replicar la naturaleza.

Desventajas

Los principales inconvenientes de los métodos tradicionales de impresión 3D incluyen problemas como la orientación general de la pieza. La pieza debe posicionarse de manera que cada capa pueda soportar la siguiente. En muchos casos, se deben añadir y retirar estructuras de soporte después de que la pieza se seque, lo que aumenta la carga de trabajo y el tiempo.

La delgadez de las impresiones finas tipo pelo que los ingenieros buscan crear ha demostrado ser imposible de reproducir en el aire abierto. La integridad estructural, la gravedad y otras fuerzas hacen que los soportes micro finos se doblen. Una solución es imprimir dentro de una sustancia en lugar de en el aire.

Impresión 3D incrustada

La impresión 3D incrustada utiliza otro medio que ayuda a proporcionar soporte a la estructura mientras se cura y endurece. Los sistemas de impresión incrustada pueden usar hidrogeles que permiten que la boquilla se mueva libremente pero mantengan la pieza en su lugar mientras se seca. Este enfoque resuelve los problemas relacionados con la deformación inducida por la gravedad de las estructuras impresas durante la escritura directa de tinta.

La impresión 3D incrustada tiene algunas ventajas adicionales. Por un lado, la mezcla de hidrogel es reutilizable, lo que significa que las impresoras no necesitan comprar más para cada impresión. También pueden usar una variedad de filamentos diferentes para crear estructuras complejas, ya que el proceso brinda soporte durante el curado.

Desventajas de la impresión 3D incrustada

Este método de impresión 3D incrustada ha demostrado ser más eficaz para imprimir ciertos diseños y extrusiones más delgadas, como resortes helicoidales. Sin embargo, su capacidad para imprimir fibras similares a las de la naturaleza sigue limitada por la ruptura del filamento debido a la capilaridad. Las pruebas muestran que cualquier cosa por debajo de un diámetro de dieciséis micrones está fuera del alcance de los métodos actuales de impresión 3D incrustada debido a la rotura del filamento por tensión superficial.

Estudio de impresión 3D incrustada

Inspirados por la naturaleza, un grupo de ingenieros de la Universidad Dankook en Corea del Sur y otros introdujeron un nuevo método de impresión 3D incrustada que toma ideas de la madre naturaleza. Este enfoque bio‑inspirado se publicó en la revista Nature Communications como el estudio “Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange”. Profundiza en una impresión rápida, de múltiples boquillas, proceso llamado 3DPX (impresión 3D por intercambio de solvente).

Gel no newtoniano

El método 3DPX combina el uso de geles no newtonianos con un nuevo diseño de impresora para imprimir estructuras filamentosas de micras de espesor. Notablemente, el gel utiliza el intercambio de solvente para inhibir la ruptura capilar causada por la tensión superficial. Así, permite que la boquilla se mueva libremente gracias a su torque adicional, pero las fibras delgadas perciben el gel como un sólido, proporcionando el soporte necesario.

La impresión 3D imita la naturaleza

Además, el gel proporcionó un rendimiento mecánico superior gracias al uso de haces de hilos a escala micrón. Reduce las limitaciones debidas a la rugosidad superficial interfacial de las partículas de microgel.

Curado instantáneo

Los ingenieros crearon el gel con una mezcla de solventes que hacía que la tinta se solidificara tan pronto como entraba en contacto con él. El curado instantáneo ayudó al proceso de impresión a soportar estructuras superdelgadas e intrincadas que habrían sido imposibles con los métodos y materiales anteriores.

Prueba de impresión 3D incrustada

Para probar su teoría, el equipo creó una impresora 3D de fabricación personalizada. El dispositivo integró un sistema de etapa de movimiento de precisión, un sistema de dispensado y una computadora de control, similar a la mayoría de unidades comerciales. La principal diferencia es que imprime dentro de un gel de soporte con reología de fluido viscoplástico de esfuerzo de fluencia.

Cabe destacar que el equipo probó 7 tintas diferentes para encontrar la mejor opción. La selección incluyó una variedad de materiales, desde elastómeros termoplásticos hasta poliestireno y PVC. Pruebas adicionales revisan el uso de copolímero bloque de estireno‑etileno‑butileno‑estireno, SEBS y tolueno como opción de solvente.

Resultados de la impresión 3D incrustada

Los resultados de la prueba mostraron capacidades impresionantes. Descubrieron que el intercambio de solvente entre la tinta extruida facilitó una solidificación rápida, soportando impresiones más intrincadas y complejas. La impresora del equipo pudo lograr un diámetro interno en las piezas de 5 µm usando una boquilla de vidrio. El mismo dispositivo alcanzó una resolución de delgadez de 1,5 micrones mientras seguía trayectorias de forma libre.

Beneficios de la impresión 3D incrustada

La capacidad de imprimir estructuras usando materiales blandos con un diámetro tan pequeño como un micrón abre la puerta a una revolución en la ciencia de materiales. Los materiales y estructuras que aprovechan estructuras delgadas tipo pelo pueden proporcionar un nuevo nivel de integridad estructural.

Más rápido

Este método de impresión 3D incrustada es más rápido que los métodos tradicionales gracias a la característica de curado instantáneo. Específicamente, el equipo registró la solidificación del filamento polimérico extruido a una velocidad de 2,33 μm/s. Impresionantemente, estos datos indican una velocidad 500 000 veces mayor que los métodos competidores.

Fabricación rápida

Además, la capacidad de imprimir a través de múltiples boquillas en paralelo abre la puerta a aplicaciones de fabricación a gran escala. Se pueden configurar varias boquillas para imprimir como una línea de montaje o para crear una estructura compleja. Estas estructuras pueden integrar diferentes materiales. Como tal, pueden imprimir circuitos eléctricos, interruptores y mucho más.

Flexibilidad

La investigación muestra que 3DPX puede soportar una amplia gama de materiales, incluidos varios polímeros, solventes y componentes no solventes disponibles comercialmente. Esta flexibilidad facilita la integración de este proceso en los procesos de fabricación actuales.

Lo que la tecnología de impresión 3D incrustada significa para los semiconductores

Este último enfoque permitiría a los ingenieros crear semiconductores totalmente activos impresos en 3D aprovechando avances recientes como fusibles reiniciables totalmente impresos en 3D. Este avance tecnológico podría tener un efecto resonante en la industria de los semiconductores. Finalmente, permitiría a los científicos hacer la fabricación de estos dispositivos más asequible, eficiente y capaz.

Investigadores de impresión 3D incrustada

El Dr. Wonsik Eom del Departamento de Ingeniería de Materiales de Convergencia de Fibras en la Universidad Dankook en Corea del Sur trabajó junto a un equipo de ingenieros, incluidos los profesores de MechSE Sameh Tawfick y Randy Ewoldt, para llevar este nuevo estudio de impresión 3D al público. En el futuro, planean ampliar las pruebas para examinar aún más materiales y geles.

Empresas líderes en la industria de impresión 3D incrustada

La fabricación aditiva ha avanzado mucho en la última década. Hoy, múltiples tipos de métodos de impresión van desde la creación de materiales compuestos para naves espaciales, hasta la impresión de órganos humanos y todo lo intermedio. Aquí hay una empresa que está preparada para maximizar cualquier avance en impresión 3D.

Materialise

La empresa belga de software y fabricación de impresión 3D, Materialise (MTLS ) sigue siendo un espíritu pionero en el mercado. Fue fundada por Wilfried Vancraen y Hilde Ingelaere en 1990 para ofrecer opciones de prototipado rápido a los fabricantes. De manera impresionante, esta empresa introdujo varios primicias en las últimas tres décadas.

Hoy, el software de impresión 3D de Materialise es popular entre los fabricantes gracias a su uso de módulos. Específicamente, existen módulos para la creación de estructuras de celosía y el anidamiento de piezas. Estas opciones ayudan a los desarrolladores a crear diseños más ligeros y resistentes y podrían ser ideales para la creación de estructuras micrón‑delgadas.

Materialise ofrece productos en múltiples industrias, desde el sector médico hasta casos de uso industrial. Es reconocida como una de las principales opciones de acciones de impresión 3D para los inversores. Como tal, podría ser una incorporación inteligente al portafolio de quienes buscan una acción de impresión 3D reputada con décadas de experiencia.

Impresión 3D incrustada – Computadoras más rápidas y ligeras

Existen innumerables usos para estructuras 3D ultra‑delgadas con patrones. Cuando se examina el deseo de los desarrolladores de hardware de poder imprimir chips completos en un solo proceso, la investigación realizada por este equipo demostrará ser un recurso valioso en el futuro. Por un lado, esta investigación abre la puerta a numerosos avances en la ciencia de materiales y otros campos.

Conoce otras noticias interesantes sobre impresión 3D Noticias.

Referencia del estudio:

^{1. Eom, W., Hossain, M. T., Parasramka, V., Kim, J., Siu, R. W. Y., Sanders, K. A., Piorkowski, D., Lowe, A., Koh, H. G., De Volder, M. F. L., Fudge, D. S., Ewoldt, R. H., & Tawfick, S. H. (2025). Impresión 3D rápida de fibras finas, continuas y blandas mediante intercambio de solvente incrustado. Nature Communications, 16, 842. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1}