La fabricación aditiva de múltiples materiales abre puertas al prototipado interno

This week, a team of University of Missouri researchers published a study in the scientific journal Nature Communications that introduced a new method of 3D printing complex multi-material devices. This method leverages lasers and direct ink writing to enable a new level of flexibility for new product designers. Here’s what the researchers discovered and how it could revolutionize multiple industries in the coming years.

Principales problemas con la fabricación aditiva de múltiples materiales

Fabricar artículos que requieren el uso de múltiples materiales y procesos diferentes ha sido una de las tareas más grandes que los ingenieros han intentado abordar desde los primeros días de la Revolución Industrial. Hoy en día, la tarea sigue siendo lenta, costosa y requiere la participación de múltiples terceros.

Fuente – Universidad de Missouri

Actualmente, la industria de la impresión 3D está en medio de una revolución. Hay nuevas técnicas, métodos y materiales que han mejorado la usabilidad de estos dispositivos. Sin embargo, estas unidades están limitadas en su cruce de materiales y capacidades. El método introducido por los investigadores tiene el potencial de simplificar esta tarea a una sola impresora capaz de imprimir plásticos, metales y semiconductores con precisión.

Desperdicio

Fabricar productos complejos de múltiples materiales es extremadamente derrochador. Si se hace internamente, los procesos deben ajustarse a las limitaciones del lugar y del presupuesto. Si la tarea se externaliza, existen costos adicionales asociados al envío del producto a diferentes fabricantes. El proceso de impresión 3D todo en uno propuesto por los investigadores eliminaría estas preocupaciones y proporcionaría un método interno simplificado que podría maximizar la eficiencia.

Estudio de fabricación aditiva de múltiples materiales

El estudio presenta el proceso de ensamblaje multmaterial de forma libre (FMAP). FMAP integra una sola máquina para realizar tareas que antes requerían varios fabricantes. Para llevar a cabo la tarea, la impresora utiliza fabricación por filamento fundido (FFF), escritura directa de tinta (DIW) y inducción láser de forma libre (FLI), lo que mejora las capacidades de impresión entre diferentes materiales.
Según el informe, se construyó una impresora 3D de 3 boquillas diseñada específicamente. La primera boquilla se encargó de añadir el filamento. La segunda boquilla utilizó inducción láser de forma libre (FLI) para modificar el material en el espacio abierto. La boquilla final introdujo aditivos y cualquier otro material funcional necesario para completar el artículo.

Prueba

Las pruebas incluyeron el uso de una variante de policarbonato para crear dispositivos complejos. Las unidades tenían materiales funcionales que fueron pre-diseñados y aplicados de forma autónoma con alta precisión. En total, los investigadores crearon un sensor UV funcional, un codificador magnético 3D, un circuito LED de barra cruzada, un sensor de tensión para resortes multifuncionales y sensores capacitivos. Su tarea final fue la más difícil: un reactor microfluídico integrado con un calentador Joule incorporado, que se utiliza típicamente para la síntesis de nanomateriales.

Investigadores

El estudio se realizó en la Universidad de Missouri. Fue liderado por la estudiante de doctorado Bujingda Zheng. Además, Jian “Javen” Lin, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial, co-dirigió el proyecto. La financiación de la investigación provino del programa de Fabricación Avanzada de la National Science Foundation (NSF) y del NSF I-Corps.

Inspiraciones

Cuando fueron entrevistados sobre su proyecto, los investigadores respondieron diciendo que se inspiraron en la naturaleza. Explicaron que la naturaleza no desperdicia. Evoluciona para integrar cada célula con un propósito y una estructura. Su objetivo es aplicar este nivel de eficiencia a los procesos de fabricación actuales, reduciendo el desperdicio mientras impulsan la innovación.

Beneficios de la fabricación aditiva de múltiples materiales

Hay varios beneficios que el nuevo método de impresión 3D de los investigadores aporta. En primer lugar, reduce los costos de creación de productos. Una sola máquina que pueda fabricar sensores, placas de circuito y textiles de múltiples materiales y capas podría revolucionar la industria. Cuando se añade la capacidad de integrar componentes electrónicos, se abre la puerta para que los ingenieros de próxima generación creen libremente.

Mejor prototipado

Estos dispositivos de impresión todo en uno permitirán a los ingenieros crear y probar prototipos mucho más rápido en comparación con los métodos actuales. Un dispositivo impreso en 3D podría fabricarse en horas o días en lugar de las semanas que normalmente se requieren para prototipar nuevos dispositivos. En el futuro, los diseñadores podrán crear sin preocuparse por los procesos de prototipado.
El dispositivo mejoraría las capacidades de I&D internas para muchas empresas a nivel mundial. Reduce los tiempos de fabricación, los costos y mejora el lanzamiento de nuevos productos al mercado. Por ello, hay mucha atención sobre los esfuerzos de los investigadores.

Aplicaciones de la fabricación aditiva de múltiples materiales

Existen muchas aplicaciones para dispositivos integrados impresos en 3D. Estas unidades son más fáciles de crear. Aprovechan sistemas automatizados que pueden integrar IA para mejorar el control de calidad. Aquí hay algunas aplicaciones prometedoras de esta tecnología que podrían llegar al mercado en los próximos años.

Sensores naturales de alta gama

Monitorear la naturaleza es una ciencia precisa que requiere la capacidad de recopilar datos continuamente sin interrumpir el ecosistema. Para lograr esta tarea, los investigadores han creado métodos ingeniosos para ocultar su equipo de detección. Este nuevo método de impresión 3D les permitiría producir objetos de aspecto natural que se integren perfectamente con el entorno mientras proporcionan datos en tiempo real.

Máquinas más inteligentes

Otra aplicación es crear máquinas que puedan sentir. Integrar sensores de temperatura y presión en los dispositivos proporcionaría una capa adicional de percepción a estas unidades. En el futuro, los robots podrían ser creados más pequeños y ágiles utilizando esta tecnología.

Sensores portátiles

El mercado de dispositivos portátiles está en auge. Hay grandes inversiones en los sectores de fitness, militar y salud. Los dispositivos portátiles han encontrado un lugar ayudando a las personas a recuperarse de problemas de salud. Proporcionan monitoreo en tiempo real y se han vuelto muy populares. La integración de la funcionalidad de impresión 3D haría que estos dispositivos fueran más pequeños y cómodos. Por lo tanto, podrían fabricarse para uso prolongado o incluso permanente.
El mercado de dispositivos portátiles es un sector de rápido crecimiento, con informes que predicen que alcanzará los 186,48 mil millones de dólares este año. Además, los analistas predicen que la industria crecerá a una tasa compuesta anual (CAGR) del 17,60 %, alcanzando los 493,26 mil millones de dólares para 2029. Imprimir en 3D estos dispositivos podría hacerlos más accesibles y baratos de fabricar, impulsando aún más su adopción.

Robots

La robótica tiene mucho que ganar con estas innovaciones. Los circuitos impresos en 3D y los dispositivos complejos podrían reducir el peso de los robots. Cualquier reducción de peso se traduce en mayor potencia y duración de la batería para estos dispositivos. Por lo tanto, los robots del mañana serán más ligeros, rápidos, inteligentes y ágiles que sus predecesores. Además, podrían integrar impresoras 3D para realizar autorreparaciones en ubicaciones remotas.

Empresas que podrían beneficiarse de estos hallazgos

La industria de la impresión 3D sigue expandiéndose con innovaciones que impulsan el mercado en varias direcciones. En particular, la industria de microchips impresos en 3D es una de las de más rápido crecimiento y mayor éxito. A continuación, algunas empresas que podrían integrar los nuevos métodos de impresión 3D para mejorar sus productos y eficiencia.

1. Qualcomm Incorporated

QCOM Gráfico de precios

Qualcomm Incorporated (QCOM ) ha sido un pionero en el mercado de telecomunicaciones y tecnología desde que comenzó a operar en 1985. El fabricante se hizo conocido por crear equipos de telecomunicaciones avanzados y semiconductores. Sus productos más famosos son los procesadores CDMA/WCDMA y Snapdragon.
Qualcomm sigue siendo una fuerza dominante en el mercado. Esta empresa con sede en San Diego obtuvo 35,82 mil millones de dólares de beneficio en 2023. La compañía se considera una fuerte “mantener” debido a su posición en el mercado y a los productos innovadores que están por lanzar. Integrar el proceso de impresión 3D inclusivo para sus populares conjuntos de chips impulsaría los ingresos y reduciría el desperdicio.

2. Monolithic Power Systems

MPWR Gráfico de precios

Monolithic Power Systems, Inc. (MPWR ) es otro fabricante de semiconductores cotizado en bolsa que se considera un pionero en el mercado. La empresa tiene su sede en Washington, EE. UU., y fue fundada en 1997. Hoy sus productos se utilizan en diversas industrias, incluidas la automotriz, industrial, de comunicaciones, informática y almacenamiento.
Monolithic Power Systems Inc. reportó unos ingresos de 1,82 mil millones de dólares en 2023. Cabe destacar que la demanda de semiconductores está en aumento, lo que ha llevado a muchos a considerar a este fabricante una incorporación inteligente a sus carteras. Integrar el nuevo proceso de impresión 3D podría mejorar aún más su modelo de negocio, impulsando la innovación y las ganancias.

Futuro de la fabricación aditiva de múltiples materiales

El futuro del mercado de la impresión 3D es prometedor. Estos dispositivos son más populares que nunca y se han creado para imprimir de todo, desde metales hasta medicina. A continuación, algunos otros proyectos interesantes de impresión 3D que vale la pena mencionar.

Impresión espacial

Imprimir un dispositivo en la Tierra es una cosa. Sin embargo, es una tarea completamente diferente en una situación de baja gravedad. Los investigadores probaron recientemente un nuevo proceso de impresión 3D diseñado para permitir que estas unidades operen en el espacio. Su estudio abre la puerta a viajes espaciales más largos y a un futuro donde la sostenibilidad es una preocupación principal.

Impresión médica

Los medicamentos del futuro se imprimirán en 3D en su farmacia local. Ha habido avances recientes en los mecanismos de control de calidad de estos dispositivos. Pronto, los medicamentos impresos en 3D serán más exactos y precisos que las opciones mezcladas manualmente, abriendo la puerta a una distribución más eficiente y a una atención personalizada.

Fabricación aditiva de múltiples materiales – Acercándose a la ciencia ficción

Este desarrollo acerca a la industria a la ciencia ficción al permitir imprimir dispositivos electrónicos completos que integran metales, plásticos y componentes electrónicos. Esta capacidad ofrecerá un nuevo nivel de ingenio al mercado y empoderará a los creadores para innovar libremente. Por lo tanto, puede esperarse que haya más cobertura de este dispositivo a medida que los investigadores continúen explorando sus capacidades.

Conozca otros proyectos de fabricación interesantes ahora.