Fabricación aditiva
De la aeroespacial a HealthTech – Los LCE son tan versátiles como intrigantes
¡Comencemos abordando lo esencial primero! ¿Qué son los LCE? Bueno, LCE significa Elastómeros Cristalinos Líquidos – redes poliméricas reticuladas que combinan las propiedades elásticas del caucho con las propiedades anisotrópicas de los cristales líquidos. El factor principal que impulsa su singularidad es que la multifuncionalidad y la capacidad de respuesta pueden programarse en los LCE mediante el patrón de su orientación local.
Es una cualidad rara, difícil de lograr en otros sistemas de materiales monolíticos. Y, como señala un artículo de revisión de la revista Nature de 2021, los avances en la síntesis y alineación de los LCE han hecho posible integrarlos funcionalmente en diversos campos, incluidos la robótica, la óptica, los productos de consumo, la energía y la atención sanitaria.
Hoy profundizamos en esta versatilidad de los LCE para ver cómo están demostrando su valor en una variedad de áreas, desde la aeroespacial hasta HealthTech.
Enfoque de impresión 3D para materiales que cambian de forma usando estructuras LCE
Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Oregón ha ayudado a desarrollar un nuevo enfoque de impresión 3D para materiales que cambian de forma. En la vida real, dichos materiales podrían ayudar a mejorar aplicaciones robóticas al permitirles adquirir una calidad similar a la de un robot.
Al describir la naturaleza de los LCE en este contexto, Devin Roach, del College of Engineering de OSU, dijo:
“Los LCE son motores blandos. Como son blandos, a diferencia de los motores tradicionales, funcionan muy bien con nuestros cuerpos inherentemente blandos. Por lo tanto, pueden usarse como dispositivos médicos implantables, por ejemplo, para administrar fármacos en ubicaciones específicas, como stents para procedimientos en áreas objetivo, o como implantes uretrales que ayudan con la incontinencia.”
Más concretamente, la investigación, publicada en la revista Advanced Materials, detalla la preparación de LCE mediante técnicas de fabricación aditiva (AM), predominantemente usando impresión de escritura directa de tinta. Los investigadores documentaron la preparación de LCE de cadena principal alineados mediante impresión 3D DLP usando un campo magnético de 100 mT.
Un examen sistemático aisló la contribución de la intensidad del campo magnético, el tiempo de alineación y el grosor de la capa de construcción sobre el grado de orientación en los LCE impresos en 3D. Los investigadores concluyeron que la impresión DLP de LCE alineados podría abrir nuevas oportunidades para fabricar materiales sensibles a estímulos en factores de forma optimizados para uso funcional en robótica blanda y absorción de energía.
Aunque todo esto pueda sonar técnico y lleno de implicaciones de alta tecnología, comprender los LCE puede ser mucho más sencillo si observamos sus aplicaciones en la vida real. Esencialmente, los LCE pueden cambiar su forma en respuesta a ciertos estímulos, como el calor. Aprovechando esta propiedad, los LCE pueden utilizarse para convertir energía térmica en energía mecánica, de modo que pueda almacenarse y usarse bajo demanda.
La flexibilidad similar a la muscular que los LCE nos introducen puede ayudarnos a avanzar significativamente en el área de la robótica blanda. Estos robots flexibles podrían entrar en zonas que son inseguras o inadecuadas para los humanos. Según Devin Roach:
“También se ha demostrado que tienen potencial en la aeroespacial como actuadores para sistemas automatizados como los de agarre en el espacio profundo, despliegue de radares o exploración extraterrestre.”
DLP, el logro central de esta investigación, que fue llevado a cabo por Roach y colaboradores en la Universidad de Harvard, la Universidad de Colorado y los laboratorios nacionales Sandia y Lawrence Livermore, nos mostró una forma de alinear las moléculas usando un campo magnético durante un tipo de impresión 3D llamado procesamiento de luz digital. Fue crucial aprovechar al máximo los LCE porque las propiedades de cambio de forma de los elastómeros cristalinos líquidos dependían de la alineación de las moléculas dentro del material. El procesamiento de luz digital utiliza luz para endurecer resina líquida en formas sólidas con precisión.
Al resaltar los logros del estudio, Roach dijo que alinear las moléculas podría ser la clave para desbloquear todo el potencial de los LCE y permitir su uso en “aplicaciones avanzadas y funcionales”. Roach añadió que su trabajo abrió “nuevas posibilidades para crear materiales avanzados que respondan a estímulos de manera útil, lo que potencialmente conducirá a innovaciones en múltiples campos”.
Roach y sus colaboradores estudiaron una variedad de parámetros. Variaron la intensidad del campo magnético y analizaron cómo podía impactar la alineación molecular junto con otros factores, como el grosor de la capa impresa. Los investigadores pudieron imprimir formas complejas de elastómeros cristalinos líquidos que cambian de manera específica cuando se calientan.
Roach también lideró otro equipo de investigadores para profundizar en el potencial de amortiguación mecánica de los LCE. La investigación y sus hallazgos podrían resultar útiles para desarrollar amortiguadores automáticos de primera clase, amortiguadores sísmicos y amortiguadores de vibración en puentes.
Aunque la investigación y sus hallazgos podrían ayudar a que los LCE se vuelvan instrumentales en muchas áreas, la investigación sobre estructuras de Elastómeros Cristalinos Líquidos ha continuado durante bastante tiempo. En los próximos segmentos, discutiremos algunos de esos estudios y cómo podrían impactar las innovaciones tecnológicas a nuestro alrededor.
LCE y la impresión 4D
En junio de 2022, un artículo de investigación publicado en la revista Materials Horizons, los científicos demostraron que al estructurar orden en las estructuras, los LCE exhiben una activación reversible de alta velocidad y gran escala en respuesta a estímulos externos, lo que permite una integración estrecha con la impresión 4D y arquitecturas de dispositivos digitales, algo que se observa raramente en redes poliméricas blandas homogéneas.
Los investigadores recopilaron información sobre los avances recientes en la impresión 4D de LCE, con énfasis en los métodos de síntesis y procesamiento que permitieron cambios microscópicos en la orientación molecular y, por ende, provocaron cambios macroscópicos en las propiedades de los objetos de uso final. La investigación infería que la combinación LCE‑4D podría resultar útil en los campos de la robótica blanda, la óptica y los dispositivos biomédicos.
Rendimiento de los LCE en la respuesta biológica de células
Otra investigación, publicada en la revista ACS Applied Polymer Materials en enero de 2023, analizó las estructuras y métodos de síntesis de los LCE así como su biología material, con énfasis en las características bioquímicas y biomecánicas de las células desde una perspectiva molecular. La investigación, de manera crucial, investigó factores como el comportamiento cuasi‑cristalino de las células, el grado de orden orientacional en diferentes células y las señales topográficas inducidas por cristales líquidos como agentes que potencian el crecimiento celular.
Además de estas investigaciones realizadas por académicos del campo, laboratorios de investigación de renombre en todo el mundo también han mostrado interés en los LCE y su evolución. Discutiremos un par de esos laboratorios en los siguientes segmentos y trataremos de entender por qué consideran a los LCE cruciales.
Evaluación de LCE por el Laboratorio Nguyen: Johns Hopkins Whiting School of Engineering
El laboratorio cree que las propiedades viscoelásticas de los LCE pueden explotarse para diseñar materiales y estructuras transformadores con un comportamiento de disipación extremo. El laboratorio llevó a cabo un estudio para desarrollar una comprensión fundamental de los mecanismos de relajación de los LCE de cadena principal, con el fin de permitir el diseño de comportamientos de disipación extraordinarios en materiales y estructuras LCE a múltiples escalas de longitud.
Los investigadores plantearon la hipótesis de que el comportamiento de disipación mejorado de los LCE surge del acoplamiento entre la dinámica de relajación de los mesógenos y la red polimérica, y depende del orden de los mesógenos y la alineación de la cadena. Según el laboratorio, el comportamiento intrínseco de disipación podría explotarse en un diseño arquitectónico para producir estructuras con amortiguación extrema y absorción de energía.
Trabajo del Laboratorio Aizenberg de la Universidad de Harvard sobre LCE
La visión del laboratorio era observar los LCE como materiales adaptativos con programabilidad a escala molecular que podrían generar oportunidades para el diseño racional de materiales responsivos de próxima generación y potencialmente transformar áreas que van desde músculos artificiales hasta superficies autolimpiantes y sistemas homeostáticos.
El laboratorio encontró que los LCE son materiales prometedores para lograr la programabilidad y capacidades de deformación deseadas, ya que están compuestos por moléculas anisotrópicas conocidas como mesógenos, covalentemente unidas a un material de fondo polimérico (el elastómero).
Aunque existían diversas aproximaciones para prescribir la alineación de los mesógenos, el grupo Aizenberg típicamente empleaba campos magnéticos para imponer el director del cristal líquido. Este método podía aplicarse y programarse dentro de cualquier forma 3D, permitiendo a los investigadores codificar modos de deformación macroscópicos a nivel molecular.
El grupo Aizenberg, activo como laboratorio de biomineralización y biomimética bajo la bandera de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, ha utilizado LCE alineados magnéticamente para crear una variedad de microestructuras multiresponsivas como micro‑postes, microplacas, estructuras celulares interconectadas y arreglos de alta densidad.
El grupo espera avanzar con su investigación para ampliar nuestra comprensión fundamental de los sistemas autorregulados, así como expandir estos diseños a aplicaciones como actuadores multimodales autónomos en adhesivos conmutables, encriptación de información, antenas autónomas, sistemas de captura de energía, robots blandos y edificios inteligentes.
Mientras la investigación individual y basada en laboratorios sobre los LCE avanza a buen ritmo, algunas empresas pueden beneficiarse de ella. Ahora veremos un par de esas compañías.
Haga clic aquí para ver una lista de las principales acciones de fabricación aditiva e impresión 3D.
1. 3D Systems Corp (DDD )
La empresa que encabeza la lista cuando pensamos en aprovechar la investigación sobre LCE a escala comercial es 3D Systems Corp. Cubre todo el espectro de la industria de la impresión 3D, desde impresoras 3D, materiales y software. Posee la gama más completa de impresoras 3D comerciales, lo que permite a las compañías imprimir piezas de plástico o metal en el punto de necesidad en una fracción del tiempo comparado con los procesos de fabricación tradicionales.
El extenso y versátil portafolio de materiales de impresión 3D de la compañía incluye plástico, elastómero, compuesto, cera, metal, biocompatibles y más. Además, agrega valor a todo el sistema mediante su software impulsado por IA, que está diseñado para la precisión en la fabricación aditiva y es ideal para aplicaciones industriales y de salud.
La empresa atiende al rango más amplio posible de clientes en industrias como aeroespacial y defensa, automotriz, bioimpresión, captura de carbono, tecnología de consumo y muchas más.
La compañía cuenta con una gama de productos en la categoría de elastómeros, incluido el DulaForm TPU Elastomer, que es un material elastómero termoplástico con flexibilidad y funcionalidad similares al caucho. Puede usarse para producción de bajo a medio lote de bienes de consumo, fabricación de piezas flexibles para aplicaciones industriales, creación de prototipos funcionales de mangueras y sellos, y el prototipado y producción de componentes de calzado.
El material VisiJet® CE-NT de 3D System Corp ofrece un rendimiento elastomérico de primera clase para prototipado funcional que satisface una variedad de aplicaciones de ingeniería y diseño. Posee excelentes propiedades de tracción, y su color natural translúcido ayuda a crear modelos realistas de la anatomía humana para aplicaciones de modelado médico.
(DDD )
3D Systems Corporation anunció sus resultados financieros del tercer trimestre que terminó el 30 de septiembre de 2024, el 26 de noviembre de 2024. Aunque sus ingresos de 112,9 millones de dólares disminuyeron un 9 % interanual, el interés de los clientes en aplicaciones de impresión 3D continuó ganando impulso, con ingresos en el Application Innovation Group (AIG) creciendo más del 26 % año a la fecha frente al año anterior en mercados industriales.
2. Teradyne, Inc.(TER )
Teradyne, Inc. fabrica equipos que prueban semiconductores, dispositivos inalámbricos y otros electrónicos complejos. Sus herramientas son usadas en industrias como la automotriz, aeroespacial, defensa y electrónica de consumo. Son un actor importante en el mundo de las pruebas automatizadas y la automatización industrial.
(TER )
Para el tercer trimestre de 2024, la compañía reportó 737 millones de dólares en ingresos. La mayor parte —543 millones de dólares— provino de Semiconductor Test, con Robotics aportando 89 millones. Contribuciones menores provinieron de System Test y Wireless Test con 73 millones y 33 millones, respectivamente.
Los Elastómeros Cristalinos Líquidos (LCE) podrían desempeñar un papel importante en el futuro de Teradyne, especialmente en robótica. Los LCE son especiales porque pueden cambiar de forma cuando se exponen al calor o a la luz. Esto los hace ideales para la robótica blanda, que necesita flexibilidad y precisión. Si Teradyne integra LCE en sus robots, podrían volverse más adaptables para industrias que exigen automatización avanzada.
3. Zebra Technologies Corporation (ZBRA )
Zebra Technologies Corporation se destaca en la inteligencia de activos empresariales, con sus computadoras móviles, escáneres de códigos de barras, lectores RFID y impresoras especializadas, utilizados en industrias como el comercio minorista, la salud, la manufactura y la logística.
(ZBRA )
En el tercer trimestre de 2024, Zebra reportó ingresos de 1,26 mil millones de dólares, un aumento del 31 % respecto al año anterior. Las ganancias ajustadas por acción fueron de 3,49 dólares, superando las expectativas y mostrando un fuerte crecimiento.
Los Elastómeros Cristalinos Líquidos podrían ser una adición interesante al portafolio de Zebra, ya que estos materiales cambian de forma al exponerse al calor o a la luz, lo que los hace ideales para su uso en robótica blanda u otros sistemas adaptativos. Si Zebra explora esta tecnología, podría mejorar la adaptabilidad de sus soluciones —algo que industrias que requieren automatización flexible podrían valorar. Los LCE podrían permitir que los sistemas de Zebra operen en entornos más complejos o realicen tareas que los materiales tradicionales no pueden.
El futuro de los LCE
Los LCE son materiales únicos en el sentido de que combinan el comportamiento anisotrópico de los cristales líquidos y la elasticidad de caucho de polímeros ligeramente reticulados. Los materiales tradicionales de memoria de forma no son tan eficaces como los LCE para construir actuadores blandos. Los LCE poseen propiedades mecánicas extraordinarias, buena flexibilidad, comportamiento anisotrópico y respuestas de forma reversibles.
Sin embargo, la investigación sobre LCE necesita abordar múltiples brechas para realizar todo su potencial. Los investigadores han encontrado que, para materiales blandos como los LCE, a menudo existe una relación de compromiso entre las características de “alto estrés de activación” y “gran deformación de activación”, ambas factores clave que determinan su rendimiento como actuadores.
Los investigadores también han identificado que, dado que la mayoría de los LCE son termotrópicos, es difícil lograr respuestas multiestímulo y control remoto, como actuadores impulsados por luz. La mayor parte de la investigación actual se centra en incorporar una variedad de nano‑rellenos funcionales (nano‑materiales fototérmicos, electrotérmicos, etc.) en matrices LCE para abordar estos problemas.
Sin embargo, hay dudas entre los investigadores de que la pobre dispersión de los rellenos funcionales en la matriz LCE y la débil interacción relleno‑matriz puedan provocar separación de fases en los compuestos, lo que resultaría en un rendimiento atenuado de los actuadores resultantes.
Aunque nuestra investigación actual es un paso bienintencionado en esa dirección, existen dudas sobre la comprensión básica de la relación entre la disposición molecular y la propiedad de actuación de los LCE. Los investigadores lo ven como un desafío para controlar con precisión la deformación o el movimiento de los LCE.
Las novedosas tecnologías de impresión 3D y 4D que se han desarrollado para procesar LCE en arquitecturas sofisticadas todavía están orientadas a la construcción de equipos personalizados sin una solución adecuada para la producción en masa hasta ahora.
Sin embargo, en el lado positivo, el interés en los LCE en el mundo científico y tecnológico es visible. Hay una creciente incorporación de LCE en la creación de dispositivos inteligentes.
Con el creciente interés en nuevos tipos de materiales LCE, tecnologías avanzadas de micro/nanofabricación 3D, esquemas de acción novedosos y estrategias de manipulación sofisticadas, los actuadores basados en LCE pueden lograr avances rápidos y encontrar pronto más aplicaciones de vanguardia.
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