Fabricación aditiva
La impresión 3D a nanoescala parece lista para la comercialización
La impresión 3D es la última moda. También conocida como el proceso de fabricación aditiva, en la impresión tridimensional o 3D, un objeto se crea a partir de un modelo digital en lugar de usar un molde. En este proceso, se añaden varias capas delgadas de material.
Los inventores desarrollaron la técnica en 1984, pero solo recientemente comenzó a despegar a medida que los avances tecnológicos la convirtieron en un proceso de fabricación viable.
Los fabricantes de muchas industrias utilizan esta técnica para crear prototipos rápidamente antes de producir en masa los productos. Al hacer que el prototipado sea más rápido, fácil y barato, la impresión 3D fomenta más innovación y experimentación.
Hoy, el negocio de la impresión 3D ha crecido enormemente, con avances constantes e investigaciones que ayudan a que la tecnología mejore aún más. Tal es el interés en la impresión 3D que los científicos ahora están trabajando en técnicas de fabricación tanto a escala micro como a nanoescala.
Aunque la impresión 3D es demasiado lenta para usarse en producción masiva, la impresión 3D a nanoescala podría resolver este problema y es probable que pronto esté lista para su uso.
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Impresión 3D a Nanoescala y su Potencial
Desde que se introdujo la tecnología de impresión 3D, la productividad manufacturera ha aumentado. Este aumento se debe en gran parte a que la impresión 3D permite una gran libertad de diseño al eliminar cualquier limitación estructural o espacial de los métodos de fabricación tradicionales. Además, se destaca por ser eficiente en el uso de materiales, ofreciendo el potencial de una fabricación con poco o ningún desperdicio. La impresión 3D también desempeña un papel crucial en la reducción de costos y del tiempo de comercialización para los pequeños fabricantes.
Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones de la impresión 3D están confinadas al tamaño de escala centimétrica. Más allá de esto, los desafíos mecánicos y de material limitan su uso principalmente a aplicaciones de investigación. Por lo tanto, para expandir la impresión 3D a una escala de fabricación masiva y evolucionar más allá del simple prototipado, la tecnología debe abordar ciertos desafíos relacionados con el tamaño, el material y el costo.
Por esta razón, muchos investigadores están utilizando múltiples materiales a diferentes escalas de tamaño, un desarrollo que pone en foco la impresión 3D a nanoescala. La nanotecnología implica mediciones de menos de 100 nanómetros, una escala tan diminuta que es invisible al ojo desnudo.
En el ámbito de la impresión 3D a nanoescala, el objetivo es imprimir en 3D objetos medidos en nanómetros. Esta tecnología representa un salto prometedor en la fabricación aditiva, permitiendo el ensamblaje de objetos átomo por átomo.
El potencial de la tecnología a nanoescala se extiende a mejorar la eficiencia y la productividad en diversas industrias, como baterías, nanorobótica, microelectrónica, dispositivos médicos, semiconductores y tecnologías de sensores. Estos sectores pueden beneficiarse significativamente de la precisión de la creación a nanoescala sin comprometer la exactitud.
Sin embargo, el proceso de impresión 3D, incluso a nanoescala, sigue siendo lento. También enfrenta limitaciones en los tipos de materiales que pueden usarse, especialmente en la impresión a nanoescala.
En 2022, los investigadores desarrollaron un nuevo método de impresión 3D a nanoescala utilizando un material que sobresale en resistencia a fuerzas, ofrece protección y puede absorber el doble de energía que otros materiales a la misma densidad. Este avance abre numerosas aplicaciones en campos como drones, satélites y microelectrónica.
Otra gran desafío al adoptar la tecnología de impresión 3D es el costo. Los materiales utilizados son caros, y las propias máquinas de impresión 3D, que dependen de la capacidad de producir productos con especificaciones específicas, son costosas.
Además, los gastos en software, mantenimiento tecnológico e integración de sistemas aumentan aún más el costo total de esta técnica. Debido a este alto costo, la impresión 3D sigue siendo más factible para producción a pequeña escala y altamente especializada.
Investigación en este campo ha estado en marcha durante algún tiempo para abordar diferentes problemas. Por ejemplo, hace unos años, un equipo de investigadores demostraron una técnica de impresión 3D que produce objetos 3D complejos a nanoescala rápidamente con características suaves.
Sin embargo, el hecho sigue siendo que, a pesar de su potencial para avanzar muchos dispositivos, la impresión 3D a nanoescala es extremadamente costosa. Esto podría cambiar finalmente ahora, ya que una nueva investigación ha encontrado un enfoque que reduce drásticamente los costos y las barreras de entrada, haciendo el proceso factible para la comercialización.
Método Más Rápido y Económico para Imprimir Pequeñas Estructuras Metálicas con Luz
La última investigación ha desarrollado una nueva forma de imprimir estructuras metálicas de tamaño nano basadas en luz de baja intensidad. Este nuevo enfoque basado en luz es extremadamente rápido, hasta 480 veces más que los métodos actualmente en uso, y es económico.
Este nuevo estudio llamado “Impresión Escalable de Nanostructuras Metálicas mediante Proyección de Luz Superlumínica (SLP)” fue realizado recientemente por los coautores Sourabh K. Saha, profesor asistente del programa de ingeniería mecánica de Georgia Tech, y Jungho Choi, estudiante de doctorado en el laboratorio de Saha.
Según Saha, el costo y la velocidad son dos factores que están “muy subvalorados en la comunidad científica” al trabajar en la fabricación y producción de pequeñas estructuras. Aunque pasados por alto en el mundo científico, estas métricas son realmente importantes en el mundo real “cuando se trata de traducir descubrimientos del laboratorio a la industria”.
“Solo cuando tengamos técnicas de fabricación que tengan en cuenta estas métricas podremos aprovechar plenamente la nanotecnología para el beneficio social.”
– dijo Saha
Choi y Saha también son inventores de una solicitud de patente SLP cuyos derechos de propiedad intelectual están asignados a Georgia Tech Research Corporation.
Publicado en Advanced Materials, una revista científica semanal revisada por pares, el nuevo estudio reveló que estos investigadores han desarrollado una forma basada en luz para imprimir estructuras metálicas a nanoescala, que es más rápida, más barata y escalable.
Como tal, esta tecnología tiene el potencial de transformar el campo de la fabricación aditiva, que es prohibitivamente costoso y lento. Este avance es 35 veces menos costoso que las tecnologías actualmente disponibles en el mercado.
En realidad, existen muchos avances tecnológicos en varios campos que dependen de la capacidad de imprimir en estructuras metálicas de tamaño nano, una técnica conocida como nanopatterning. Estos campos incluyen sensores, dispositivos electrónicos, fotónica, conversión de energía solar, biomedicina y diagnóstico, y otros sistemas.
En lo que respecta a la impresión a nanoescala, se cree que el procedimiento necesita una fuente de luz de alta intensidad. Una herramienta de este tipo es un láser de femtosegundo, que proporciona pulsos láser ultracortos a un punto focal.
Aunque es realmente beneficiosa, esta herramienta puede ser muy costosa. Al costar hasta medio millón de dólares, no es factible para la mayoría de los laboratorios de investigación y, por supuesto, para pequeñas empresas.
Como señaló Saha, es este costo lo que dificulta que estos avances lleguen al mundo real, terminando como proyectos de laboratorio. Él dijo:
“Como comunidad científica, no tenemos la capacidad de producir suficientes de estos nanomateriales de forma rápida y asequible, y por eso las tecnologías prometedoras a menudo permanecen limitadas al laboratorio y no se traducen a aplicaciones del mundo real.”
Entonces, la siguiente pregunta obvia es, ¿realmente se necesita una herramienta de alta intensidad? La respuesta fue negativa, como dijo Saha:
“Nuestra hipótesis era que no necesitamos esa fuente de luz para obtener el tipo de impresión que deseamos.”
Como resultado, los investigadores comenzaron a buscar una luz de bajo costo que tuviera baja intensidad pero que pudiera enfocarse de manera similar a los láseres de femtosegundo. Y encontraron diodos emisores de luz superlumínica (SLED), que fueron elegidos por su disponibilidad comercial.
Un SLED es una fuente de luz semiconductor de emisión de borde basada en superluminescencia que combina el brillo y alta potencia de los diodos láser con la baja coherencia de los diodos emisores de luz convencionales. La luz emitida por los SLED es significativamente menos intensa que la de los láseres de femtosegundo.
Impresión Nano-tamaño de Estilo Proyección Basada en Luz de Baja Intensidad
Con esta investigación, Choi y Saha buscaron desarrollar la primera tecnología de impresión de estilo proyección. Este sistema está diseñado para operar como un proyector digital al convertir imágenes de digital a óptico y luego exhibirlas en una superficie de vidrio.
Sin embargo, las imágenes producidas por esta tecnología de impresión están más nítidamente enfocadas. Esta nitidez es el resultado de aprovechar las propiedades únicas de la luz superlumínica para generar imágenes con mínimos defectos.
Esta técnica SLP o de proyección de luz superlumínica imprime rápidamente nanostructuras subdifracción (dimensiones más cortas que el límite de difracción de la luz involucrada) con luz de baja intensidad. Los investigadores aprovecharon las propiedades de coherencia espacial y temporal de la luz superlumínica basada en diodos.
Ahora, para su investigación, utilizaron una sal metálica junto con otros químicos para desarrollar una solución de tinta clara que pueda absorber luz. Cuando la luz de su sistema de proyección golpea la solución, provoca una reacción química, convirtiendo la solución en metal. Estas nanopartículas metálicas se adhieren a la superficie del vidrio, creando las nanostructuras.
Ser una tecnología de impresión de estilo proyección significa que puede usarse para imprimir estructuras completas de una sola vez. El hecho de que, en lugar de ir punto por punto, esta técnica lo haga todo de una vez la hace más rápida que otros métodos convencionales.
Las pruebas de la impresión de metal nano-tamaño basada en proyección de luz demostraron que funciona incluso con luz de baja intensidad, siempre que las imágenes estén nítidamente enfocadas.
Según Choi y Saha, su trabajo puede ser replicado rápidamente por otros investigadores utilizando hardware disponible comercialmente. Esto tampoco costará mucho, ya que el tipo de SLED utilizado en su investigación cuesta alrededor de 3.000 dólares.
De esta manera, la investigación permite que pequeñas empresas, centros de investigación e incluso individuos aprovechen la tecnología y experimenten con ella para innovar. Según Choi:
“En la actualidad, solo las principales universidades tienen acceso a estas costosas tecnologías, y aun así, están ubicadas en instalaciones compartidas y no siempre están disponibles.”
Añadiendo más, Choi dijo:
“Queremos democratizar la capacidad de la impresión 3D a nanoescala, y esperamos que nuestra investigación abra la puerta a un mayor acceso a este tipo de proceso a bajo costo.”
Este avance tiene un potencial real para ayudar a que nuevas tecnologías salgan finalmente de los laboratorios de investigación y lleguen al mundo para su uso.
La investigación ciertamente tiene un amplio potencial de aplicación, y los investigadores afirman que su técnica será particularmente útil en los campos de la óptica y la plasmonia, que requieren una variedad de complejas nanostructuras metálicas.
Otras áreas potenciales donde podría usarse en el futuro incluyen componentes electrónicos más pequeños y eficientes para teléfonos inteligentes, computadoras y dispositivos portátiles. Además, puede ayudar con sensores avanzados, actuadores, sistemas de comunicación miniaturizados, dispositivos biomédicos como implantes y dispositivos de diagnóstico, óptica a pequeña escala para cámaras y sistemas de imagen, dispositivos diminutos para cosechar energía y el desarrollo de nuevos materiales con propiedades personalizadas.
La impresión 3D a nanoescala seguirá ayudando en la investigación y en la generación de soluciones aún más viables.
Empresas Líderes en Fabricación Aditiva
Ahora, echemos un vistazo a algunas empresas que lideran el camino en la Fabricación Aditiva:
#1. Stratasys
El proveedor de soluciones de impresión 3D con sede en EE. UU. es un líder internacional en la industria de la fabricación aditiva. Stratasys suministra una variedad de impresoras 3D y materiales a los sectores automotriz, de salud, educación, aeroespacial y a diversas otras industrias. La compañía también posee numerosas patentes de tecnología aditiva utilizadas para crear modelos, prototipos, herramientas de fabricación y piezas de producción.
La última impresora 3D de la compañía, la F3300, incorpora mejoras significativas en velocidad y costo. Ofrece mayores velocidades de pórtico, tasas de extrusión más rápidas y calibración automática para ahorrar tiempo y aumentar el rendimiento. La máquina está destinada a la producción de piezas de uso final y también puede usarse para prototipado.
(SSYS )
Con una capitalización de mercado de 902,6 millones de dólares, las acciones de Stratasys cotizan actualmente a 13,05 $, con una caída del 8,61 % en lo que va del año (YTD). La compañía reportó unos ingresos de los últimos doce meses (TTM) de 630,52 millones de dólares, con un EPS (TTM) de -1,61 y un P/E (TTM) de -8,10.
#2. 3D Systems
Un nombre bien conocido en la industria de la fabricación aditiva, 3D Systems ofrece una amplia variedad de soluciones de impresión 3D, que van desde hardware y software hasta materiales para industrias como la salud, aeroespacial, defensa, automotriz, bienes de consumo y fabricación general.
Las tecnologías de 3D Systems incluyen Direct Metal Printing, Selective Laser Sintering, MultiJet Printing, ColorJet Printing, Estereolitografía (SLA) y bioprinting basado en SLA.
A finales del año pasado, la compañía anunció un implante craneal impreso en 3D, específico para el paciente, que se utilizó con éxito en una craneoplastia en el Hospital Universitario de Basilea. Se espera que el uso de implantes craneales impresos en 3D tenga un un tamaño de mercado de 2,1 mil millones de dólares para finales de esta década.
(DDD )
Con una capitalización de mercado de 677,845 millones de dólares, la acción de 3D Systems Corp cotiza actualmente a 5,08 $, con una caída del 20 % YTD. La compañía reportó ingresos (TTM) de 505,95 millones de dólares, con un EPS (TTM) de -0,74 y un P/E (TTM) de -6,85.
#3. GE Additive
Una división del gigante tecnológico General Electric, GE Additive cuenta con una gama completa de impresoras, materiales consumibles y soluciones de software que permiten a empresas en diferentes segmentos de mercado innovar.
El mes pasado, la compañía presentó su tecnología de chorro de aglutinante metálico en la feria de fabricación aditiva (AM) más grande de Europa. Para ello, GE Additive está trabajando con una nueva industria, la médica, para ampliar sus horizontes más allá del sector aeroespacial. Con los chorro de aglutinante, la compañía busca proporcionar “un método de fabricación secundario en caso de que tenga un problema en la cadena de suministro”.
(GE )
Con una capitalización de mercado de 141,4 mil millones de dólares, las acciones de General Electric Co cotizan actualmente a 129,93 $, con un aumento del 1,8 % YTD. La compañía reportó ingresos (TTM) de 67,95 mil millones de dólares, con un EPS (TTM) de 8 y un P/E (TTM) de 16,24. GE también paga un rendimiento de dividendo del 0,25 %.
Reflexiones Finales
Aunque aún se encuentra en las primeras etapas de investigación, la impresión 2D a nanoescala y el panorama de la fabricación aditiva están avanzando a un ritmo rápido. Ya hemos visto que se están desarrollando técnicas de impresión más rápidas y económicas que hacen que la impresión de metal a nanoescala sea escalable y comercialmente viable.
A medida que la nueva investigación continúa abordando problemas como el costo y las limitaciones de materiales, veremos surgir nuevas soluciones que eliminen barreras de entrada y produzcan diseños de productos personalizados y sostenibles. Esto conducirá al uso generalizado de técnicas en medicina, moda, productos de consumo, electrónica avanzada y mucho más, aumentando finalmente la posibilidad de que los dispositivos habilitados por nano se utilicen significativamente en el mundo real y haciendo que la impresión 3D sea comercializable.
