El próximo salto en la impresión 3D es el crecimiento de metales fuertes

Científicos de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) han creado un nuevo método de impresión 3D que puede convertir hidrogeles simples en metales y cerámicas de alto rendimiento.

Básicamente, han cultivado metal al permitir múltiples infusiones de sales metálicas que forman estructuras extremadamente fuertes y densas sin la porosidad de los métodos anteriores. Los resultados muestran que los metales creados con la nueva técnica son 20 veces más fuertes y presentan mucho menos encogimiento. 

Este avance promete una producción eficiente de dispositivos de energía, detección y biomédicos de próxima generación.

Por qué los materiales arquitectónicos necesitan una mejor impresión 3D de metales

Como base de la fabricación, la construcción, la ingeniería y la tecnología, los materiales influyen directamente en la funcionalidad, durabilidad y seguridad de todo, desde edificios hasta electrónica, transporte y atención sanitaria. 

Esto hace importante crear nuevos materiales o mejorar los existentes para satisfacer necesidades específicas, resolver problemas y impulsar el progreso en diversas industrias.

Un enfoque innovador y crucial para lograr esto es a través del diseño de materiales arquitectónicos, un proceso que mejora las propiedades del material en comparación con sus contrapartes simples al diseñar su estructura interna a múltiples escalas.

Esta clase emergente de materiales utiliza geometría estructural 3D para acceder a funcionalidades y propiedades que de otro modo serían inaccesibles mediante la optimización solo de composición y/o microestructura.

A medida que avanza nuestra comprensión de las relaciones arquitectura‑propiedad y las herramientas de fabricación, también lo hace el desarrollo de estos materiales nano y microarquitectados 3D con propiedades nuevas o mejoradas, que van desde comportamientos mecánicos extremos hasta propiedades ópticas exóticas que simplemente no pueden lograrse con materiales procesados tradicionalmente. Al hacerlo, los materiales arquitectónicos ayudan a satisfacer la creciente demanda de dispositivos de alto rendimiento y permiten tecnologías complejas.

Estos materiales se fabrican actualmente utilizando tecnologías de fabricación aditiva (AM) debido a su capacidad para producir estructuras 3D complejas en una amplia gama de escalas de longitud. Entre los diferentes procesos de AM, la fotopolimerización en cuba (VP) se usa ampliamente ya que permite tamaños pequeños y velocidades rápidas.

En este método de impresión 3D, una resina fotosensible se deposita en una cuba y, luego, mediante un láser o luz UV, se endurece selectivamente en la forma requerida.

Sin embargo, este proceso solo se usa con polímeros fotosensibles y enfrenta desafíos al fabricar materiales no poliméricos con él. Dado que los polímeros tienen propiedades estructurales y funcionales limitadas, esto restringe los casos de uso de los dispositivos fabricados con VP.

Como resultado, los científicos han desarrollado métodos para habilitar la VP de materiales no fotopolimerizables como metales y cerámicas. Esto incluye el uso de fotoresina híbrida (combinando componentes inorgánicos y orgánicos) o lechada fotosensible, pero presentan desafíos con la dispersión de luz, viscosidades y composiciones de material limitadas.

Como resultado, el uso de soluciones de sales metálicas ha surgido como un enfoque prometedor, que es versátil y comercialmente disponible. Pero este método conlleva una cantidad significativa de encogimiento, causando porosidad, deformación y daño estructural.

Para abordar estos desafíos, los investigadores de EPFL han desarrollado un nuevo método versátil para fabricar metales y cerámicas arquitectónicos densos con bajas contracciones lineales de conversión. 

Lo que han hecho es cultivar metales en un hidrogel, lo que resulta en construcciones notablemente densas pero complejas para tecnología avanzada.

Los hidrogeles son materiales poliméricos que están mayormente compuestos de agua. Cuando están hidratados, se vuelven similares a una gelatina. Al ser biocompatibles, se utilizan en una amplia gama de aplicaciones médicas y otras. Sin embargo, estos materiales sufren de estrés mecánico repetido y pueden deformarse fácilmente. 

“El problema con los hidrogeles existentes es que pueden ser mecánicamente débiles y por eso necesitan reforzarse,” dijo el Profesor Asociado Koichi Mayumi del Instituto de Física del Estado Sólido (ISSP) de la Universidad de Tokio, quien ha creado¹ un hidrogel que exhibe una dureza similar a la goma y recuperabilidad manteniendo la flexibilidad.

Un estudio reciente², por su parte, utilizó hidrogeles para demostrar la capacidad de materiales no vivos de usar ‘memoria’ para actualizar su comprensión del entorno. Mostraron que “la memoria emerge dentro de los hidrogeles” al hacer que hidrogeles no vivos (que pueden responder a estimulación eléctrica) jueguen al videojuego Pong y mejoren su precisión hasta en un 10 % mediante la práctica.

Ahora, los investigadores de EPFL han transformado estos hidrogeles blandos en metales y cerámicas excepcionalmente fuertes usando un poderoso nuevo método de impresión 3D.

Una nueva forma de imprimir metales fuertes en 3D

Con otros métodos de impresión 3D creados para convertir polímeros impresos en materiales más duros que sufrían graves problemas estructurales, “estos materiales tienden a ser porosos, lo que reduce significativamente su resistencia, y las piezas sufren de un encogimiento excesivo, lo que causa deformaciones,” los investigadores han creado una solución única al problema.

Los investigadores de EPFL han pionero un método de impresión 3D llamado fabricación aditiva por infusión de hidrogel (HIAM).

En el estudio más reciente, publicado en Advanced Materials³, los investigadores señalaron que a pesar de sus beneficios en términos de versatilidad y accesibilidad, la utilidad del nuevo método está limitada por los encogimientos del 50%-90% que ocurren durante el proceso de conversión de polímero a cerámica, lo que causa mucha porosidad, grietas y deformaciones en las piezas finales, que a menudo las hacen demasiado frágiles para uso práctico. Por lo tanto, también utilizan una estrategia de infusión‑precipitación después de la fabricación.

En lugar de usar luz para solidificar una resina preinfundida con precursores metálicos, el equipo de EPFL primero construyó una estructura 3D de hidrogel.

Luego, el hidrogel ‘en blanco’ se infunde con diferentes soluciones de sales metálicas antes de ser tratado térmicamente para convertirlo en nanopartículas que contienen metales que permeabilizan la estructura. Al repetir el proceso, se pueden crear composites con concentraciones de metal muy altas.

Tras cinco a diez de esos ‘ciclos de crecimiento’, el paso final implica calentar para quemar el hidrogel restante. Esto deja el producto terminado, es decir, un objeto cerámico o metálico con la forma del polímero original en blanco que es muy fuerte y denso. 

Infundir sales metálicas en hidrogeles solo después de la fabricación significa que un solo hidrogel puede modificarse en muchos composites, metales o cerámicas diferentes. 

No solo se puede usar una única composición de resina para fabricar una casi infinita variedad de materiales no poliméricos, sino que este estudio también destaca un nuevo paradigma de AM donde la selección de material no ocurre antes sino después de la impresión 3D.

Así, la nueva técnica “permite la fabricación de metales y cerámicas de alta calidad con un proceso de impresión 3D accesible y de bajo costo,” dijo Daryl Yee, jefe del Laboratorio de Química de Materiales y Fabricación (ALCHEMY) en la Escuela de Ingeniería de EPFL. 

El enfoque en ALCHEMY es integrar la ciencia de materiales, el diseño molecular y la fabricación avanzada para crear materiales funcionales avanzados que puedan abordar desafíos sociales en salud, energía y cambio climático.  

Usando su método, el equipo de EPFL fabricó con éxito una variedad de estructuras 3D intrincadas de metal y cerámica. Crearon formas de retícula matemática complejas llamadas giroides de cobre, plata y hierro.

La fabricación de Fe₂O₃, SrFe₁₂O₁₉, Fe, Cu y Ag alcanzó densidades cercanas al 88‑89 % teórico y encogimientos del 20‑40 % (según la composición), demostrando la capacidad de la técnica para crear estructuras fuertes e intrincadas. También se utilizó una máquina de ensayo universal para probar la resistencia de los materiales aplicando presión creciente a los giroides.

“Nuestros materiales pudieron soportar 20 veces más presión comparado con los producidos con métodos anteriores, mientras mostraban solo un 20 % de encogimiento frente al 60‑90 %.”

– estudiante de doctorado y primer autor Yiming Ji

Según los científicos, la recién desarrollada técnica basada en infusión‑precipitación tiene potencial para fabricar materiales arquitectónicos avanzados y estructuras 3D que deben ser complejas, ligeras y fuertes simultáneamente, como dispositivos biomédicos, sensores o dispositivos para conversión y almacenamiento de energía. 

En los próximos pasos, el equipo se centrará en mejorar su proceso, específicamente en aumentar aún más la densidad de sus materiales, para su comercialización. 

La velocidad es otro objetivo. Aunque las infusiones repetidas son importantes para producir materiales más fuertes, estos pasos hacen que el método sea lento. “Ya estamos trabajando para reducir el tiempo total de procesamiento usando un robot para automatizar estos pasos,” dijo Yee.
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¿Hacia dónde se dirige la fabricación aditiva a continuación?

La fabricación aditiva es una de las tecnologías más disruptivas de nuestra era, construyendo objetos 3D capa por capa usando diseño digital y una amplia gama de materiales, como metal, plástico y hormigón.

Esta tecnología es conveniente, versátil y capaz de fabricar rápidamente estructuras geométricas intrincadas. También reduce el desperdicio de material, permite una alta personalización y mejora el rendimiento de dispositivos flexibles.

Se estima que el tamaño del mercado global de AM será de alrededor de $25 mil millones en 2025 y se proyecta que crecerá más de $125 mil millones para 2032. Mientras tanto, el total de unidades de impresoras 3D enviadas globalmente fueron 2,2 millones en 2021 y se espera que alcancen 21,5 millones de unidades para finales de esta década.

Estas cifras reflejan una adopción creciente de la tecnología, que no se limita solo a laboratorios. Está siendo cada vez más utilizada para construir casas, zapatos, cascos de realidad virtual, materiales biodegradables autorreparables⁴, y mucho más.

Recientemente, investigadores de Empa informaron haber desarrollado un implante corneal biocompatible impreso en 3D que puede reparar permanentemente el daño ocular. 

Con millones de personas en todo el mundo afectadas por daño corneal, solo un pequeño porcentaje puede ser tratado con un trasplante corneal. El desarrollo de implantes autoadhesivos personalizados hecho posible por la bioimpresión 3D de extrusión puede cambiar completamente el juego.

El implante está hecho de un hidrogel biocompatible, que luego será cargado con células madre humanas del ojo para apoyar la regeneración del tejido.

Mientras las aplicaciones de AM continúan creciendo, los científicos también están resolviendo algunos de los desafíos técnicos más persistentes de la impresión 3D. Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) crearon una técnica de extrusión asistida por vacío⁵ que puede reducir la porosidad interna de componentes de polímero en un 75 % abordando así el problema que obstaculiza la fabricación aditiva a gran escala (LFAM).

La porosidad interna debilita las piezas impresas, y reducirla es importante para impulsar el rendimiento general.

Lo que los investigadores hicieron fue que, durante el proceso de extrusión, integraron una tolva de vacío, que eliminó los gases atrapados y minimizó la formación de vacíos en materiales reforzados con fibra que son prevalentes en LFAM por su firmeza y baja expansión térmica, pero que presentan porosidad intra‑perla que afecta su calidad. 

“Con esta técnica innovadora, no solo estamos abordando el problema crítico de la porosidad en impresiones de polímero a gran escala, sino también allanando el camino para composites más fuertes. Este es un salto significativo para la industria LFAM.”

– Vipin Kumar de ORNL

Mientras tanto, investigadores de la Universidad de Colorado Boulder han creado el software OpenVCAD, para ayudar a lograr diseños más complejos. El software de código abierto puede aplicar propiedades específicas a ciertas partes de estructuras de retícula, que generalmente se usan para capacidades de absorción de impactos.

La primera herramienta de diseño multimatérico basada en código “permite a los usuarios cambiar una pequeña variable y ver toda la actualización del diseño de manera fácil,” dijo el líder del proyecto Robert MacCurdy. Convierte diseños de gradiente complicados en código listo para impresoras para aplicaciones de ingeniería modernas.

Más allá de mejorar la calidad del material, los innovadores también están trabajando para llevar el poder de la fabricación a la palma de la mano. Un artículo de investigadores de UT Austin y MIT exploró el uso de fotónica de silicio en una impresora 3D basada en chip⁶, donde un único dispositivo fotónico de escala milimétrica realiza la mayor parte de la funcionalidad mecánica de la impresora mientras reemplaza la fuente de luz. La impresora resultante es mucho más simple y rentable.

Las impresoras 3D actuales dependen de sistemas mecánicos grandes y complejos, lo que limita la velocidad, portabilidad, resolución, factor de forma y complejidad del material. Aunque los investigadores están investigando impresoras 3D que se basan en fotocurado, todavía dependen de sistemas mecánicos voluminosos y complejos. 

Así, el estudio más reciente combinó fotónica de silicio y fot química para la primera impresora 3D basada en chip. Utilizaron un chip CMOS de fotónica de silicio en una pequeña cámara, que tanto emite la luz como la dirige, junto con una guía de onda de cristal líquido para trabajar con la resina. 

El sistema es un “sistema de matriz de fase óptica integrado de luz visible” que actúa como un sistema de fotopolimerización en cuba en un chip, con la idea final de hacer que todo el sistema quepa en la palma de la mano.

Invertir en la impresión 3D

Famosa por la impresión tradicional, HP (HPQ ) ha estado ingresando agresivamente al mercado de impresión 3D y cuenta con escala, capital e infraestructura para adoptar procesos de vanguardia como la infusión de hidrogel.

La compañía incursionó por primera vez en la fabricación aditiva hace poco más de una década, y desde entonces ha lanzado múltiples sistemas de impresión 3D de polímeros e introducido la tecnología Metal Jet. Aunque no es el jugador más antiguo en la industria de impresión 3D, HP ha estado trabajando para convertirse en líder del mercado mediante la innovación en tecnología, materiales y asociaciones.

HP Inc. (HPQ )

A principios de este año, la tecnología de impresión 3D Multi Jet Fusion de HP fue utilizada por Blazin Rodz para fabricar más de 75 piezas para un automóvil construido a medida. 

“No hay forma de que pudiéramos diseñar e ingenierar vehículos tan extremos, precisos y manejables como lo hacemos en Blazin Rodz — en menos de un año — sin diseño CAD e impresión 3D. La impresión Multi‑Jet Fusion (MJF) de HP es un cambio de juego para toda la industria, y estamos comprometidos a encontrar aplicaciones inteligentes e innovadoras con cada pieza firma que desarrollamos y cada coche personalizado que construimos en el futuro.”

– Waylon Jeffrey, líder de Diseño 3D e Ingeniería en Blazin Rodz

Hace unos meses, la empresa de fabricación de drones móviles, Firestorm Labs, aseguró derechos de distribución exclusivos de HP para su tecnología de impresión 3D Multi Jet Fusion móvil, permitiendo la producción in situ en contextos médicos, humanitarios y comerciales.

HP es el proveedor global de computación personal y otros dispositivos de acceso digital, y opera a través de tres segmentos clave.

El segmento Personal Systems ofrece computadoras de escritorio comerciales y de consumo, notebooks, estaciones de trabajo, sistemas POS, pantallas, sistemas híbridos y software; el segmento Printing ofrece hardware de impresoras para consumidores y empresas, junto con gráficos, impresión 3D y personalización en los mercados comercial e industrial; y el segmento Corporate Investments incluye ciertos proyectos de incubación empresarial e inversiones.

Con una capitalización de mercado de $25.5 mil millones, las acciones HPQ se cotizan actualmente a $27.22, con una caída del 16.18 % este año. Su rango de 52 semanas ha sido $21.21 a $39.80, mientras que el máximo histórico de estas acciones fue a mediados de 2022, cuando HPQ alcanzó un pico de alrededor de $41.50.

La compañía tiene un EPS (TTM) de 2.75 y un P/E (TTM) de 9.96. El rendimiento de dividendos ofrecido por HP a sus accionistas es atractivo, del 4.23 %.

En cuanto a la posición financiera de HP, reportó ingresos netos de $13.9 mil millones, un aumento del 3.1 % respecto al período del año anterior, para el tercer trimestre del año fiscal 2025. 

Esto incluye $4 mil millones en ingresos del negocio de Printing, que disminuyó un 4 % interanual con un margen operativo del 17.3 %. Los ingresos netos de Consumer Printing cayeron un 8 %, los de Commercial Printing un 3 % y los de Supplies un 4 %. Mientras tanto, el total de unidades de hardware mostró una caída del 9 %, con unidades de Commercial Printing bajando un 12 % y las de Consumer Printing un 8 %.

Las ganancias netas diluidas GAAP por acción de HP aumentaron un 23.1 % a $0.80, y el EPS neto diluido non‑GAAP disminuyó un 10.7 % a $0.75.

“En el Q3 entregamos un quinto trimestre consecutivo de crecimiento de ingresos, impulsado por la fortaleza en Personal Systems y un fuerte impulso en nuestras áreas clave de crecimiento. Estos resultados demuestran nuestra agilidad y ejecución enfocada en el trimestre, refuerzan la solidez de nuestra estrategia y nuestro compromiso de ser líderes en el futuro del trabajo.”

– CEO Enrique Lores

Durante este trimestre, la compañía reportó $1.7 mil millones en efectivo neto de actividades operativas mientras el flujo de caja libre fue de $1.5 mil millones. También devolvió $400 millones a los accionistas mediante pagos de dividendos de $0.2894 por acción y recompras de acciones por $150 millones. HP terminó el trimestre con $2.9 mil millones en efectivo y equivalentes.

Haga clic aquí para una lista de las principales acciones de fabricación aditiva y impresión 3D.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de HP Inc. (HPQ)

Un nuevo capítulo para la ciencia de materiales

Con la impresión 3D, la fabricación ha entrado en una nueva era, permitiendo prototipado rápido, desarrollo más rápido, flexibilidad de diseño, ahorro de costos y mejoras en la cadena de suministro.

Aprovechando esta tecnología y combinándola con la infusión de hidrogel y una estrategia de infusión‑precipitación, los investigadores de EPFL han producido metales más fuertes, redefiniendo cuándo y cómo se determina la identidad del material en la cadena de producción. Además, la flexibilidad que ofrece puede ser potencialmente transformadora para industrias que van desde la energía hasta la ingeniería biomédica.

A medida que estos métodos maduren, escalen y se comercialicen, pueden inaugurar un nuevo panorama industrial donde la resistencia no se fabrica sino que se cultiva.

Referencias:

1. Liu, C., Morimoto, N., Jiang, L., Kawahara, S., Noritomi, T., Yokoyama, H., Mayumi, K., & Ito, K. (2021). Hidrogeles resistentes con auto‑refuerzo rápido. Science, 372(6546), 1078–1081. https://doi.org/10.1126/science.aaz66942. Strong, V., Hayashi, Y., Ward, J., et al. (2024, 23 de agosto). Los hidrogeles de polímero electroactivo exhiben memoria emergente cuando se integran en un entorno impulsado por retroalimentación. Cell Reports Physical Science, 5, Article 00436. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.004363. Ji, Y., Hong, Y., Bhandari, D. R., & Yee, D. W. (2025, 24 de septiembre). Fotopolimerización en cuba basada en hidrogel de cerámicas y metales con bajo encogimiento mediante infusión‑precipitación repetida. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.2025049514. Li, Y., Ma, G., Guo, F., Luo, C., Wu, H., Luo, X., Zhang, M., Wang, C., Jin, Q., & Long, Y. (2024, 25 de junio). Materiales autorreparables e biodegradables impresos en 3D y sus aplicaciones. Frontiers of Mechanical Engineering, 19, Article 17. https://doi.org/10.1007/s11465-024-0787-15. Mattingly, F., Kumar, V., Chawla, K., Bras, W., Kunc, V., & Duty, C. (2025, enero). Extrusión asistida por vacío para reducir la porosidad interna en fabricación aditiva de gran formato. Additive Manufacturing, 97, 104612. https://doi.org/10.1016/S2214-8604(24)00658-46. Corsetti, S., Notaros, M., Sneh, T., Stafford, A., Page, Z. A., & Notaros, J. (2024, 6 de junio). Impresora 3D basada en chip habilitada por fotónica de silicio. Light: Science & Applications, 13, Article 132. https://doi.org/10.1038/s41377-024-01478-2