02.11.2021 - Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

Impresión 4D: el calor encoge los objetos impresos

El comportamiento de la contracción y las curvaturas pueden ajustarse con precisión

¿Polímeros impresos que cambian de forma una vez de manera predefinida cuando se calientan? Esto es ahora posible gracias a una tecnología de impresión 4D desarrollada en el Cluster de Excelencia de Materiales Programables CPM de Fraunhofer. El alcance del cambio de forma de los objetos impresos es drástico: pueden encogerse hasta un 63%. En el futuro, las tecnologías de fabricación en 4D podrían utilizarse para producir piezas que muestren un comportamiento específico sólo después de adoptar su forma predefinida, por ejemplo, como elementos de fijación en el ensamblaje de componentes en las industrias de tecnología médica, ingeniería mecánica, automoción y aviación.

La impresión 3D está de moda y, como tecnología de fabricación aditiva, ofrece numerosas ventajas. Por ejemplo, los productos y prototipos pueden diseñarse de forma individual y estar disponibles rápidamente. Un equipo de investigadores del Fraunhofer CPM está ampliando significativamente las ventajas al producir objetos impresos mediante la llamada impresión 4D. Esta tecnología añade la dimensión del tiempo, o 1D, a la dimensión del espacio, o 3D. De este modo, se pueden imprimir objetos a partir de polímeros con memoria de forma que pueden cambiar su forma una vez en un momento posterior cuando se exponen al calor, y de forma bastante notable: las muestras con forma de varilla que miden unos cuatro centímetros de longitud se encogen hasta un 63%. También es posible obtener curvaturas específicas de forma selectiva. "Al principio empezamos con una geometría de varilla relativamente sencilla, pero finalmente pudimos producir cilindros huecos más complejos y muestras huecas con forma de cubo", explica el Dr. Thorsten Pretsch, del Instituto Fraunhofer de Investigación Aplicada de Polímeros (IAP), que coordina el proyecto en el Fraunhofer CPM. "Para todas las geometrías que investigamos, especificamos de antemano el comportamiento deseado del material".

El comportamiento de contracción y las curvaturas pueden ajustarse con precisión

En general, hay dos formas de ajustar la respuesta a un aumento de temperatura. La primera es la elección del material: en este caso, los investigadores desarrollaron un nuevo poliuretano termoplástico, o TPU, con propiedades de memoria de forma. El equipo también demostró que los hallazgos obtenidos en la impresión 4D también pueden trasladarse a otro polímero termoplástico: produjeron objetos impresos encogibles a partir del polímero de base biológica ácido poliláctico, o PLA. La segunda posibilidad reside en la gestión inteligente del proceso de impresión. "La clave es que damos a los materiales muy poco tiempo para que se enfríen durante la impresión. Como resultado, se almacenan tensiones internas drásticas en el material. El efecto de contracción posterior es muy pronunciado", dice Pretsch. En resumen, la elección del material, la temperatura de procesamiento y la velocidad de impresión pueden utilizarse para ajustar no sólo el comportamiento de contracción, sino también el estado de curvatura.

Desarrollo desde el monómero hasta el reciclaje mecánico

El primer paso del proyecto fue desarrollar el material y transferir los hallazgos del TPU al PLA. El segundo paso fue desarrollar un demostrador: un abrepuertas que se encoge en un picaporte para que se pueda manejar con el codo sin contacto con la mano. El desmontaje es sencillo: al recalentarse, el abrepuertas se desprende de la manilla sin dejar ningún residuo. Cuando el objeto de impresión ya no se necesita, se puede moler y volver a procesar para convertirlo en filamento que puede utilizarse al menos una vez más para la impresión 4D. "El concepto es holístico y está orientado al futuro. En términos de un enfoque de la cuna a la cuna, hemos pasado por todo el ciclo del producto: desde la selección de monómeros y la síntesis de polímeros hasta la impresión 4D de un demostrador y su reciclaje mecánico", resume Pretsch.

Los cuatro institutos Fraunhofer aportaron su experiencia específica: el Fraunhofer IAP sintetizó el polímero con memoria de forma, desarrolló la tecnología de impresión 4D y llevó a cabo el reciclaje mecánico. Linda Weisheit, del Instituto Fraunhofer de Máquinas-Herramienta y Tecnología de Conformación IWU, desarrolló el concepto de rigidez programable de los materiales 4D. El Instituto Fraunhofer de Matemáticas Industriales ITWM realizó simulaciones matemáticas para diseñar el demostrador. "Por ejemplo, investigamos cómo se distribuye la fuerza en el abridor de la puerta cuando se carga. También nos interesaba saber qué diseño es mejor en términos de consumo de material", explica el Dr. Heiko Andrä. Las pruebas prácticas tuvieron lugar en el Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales IWM. "Aquí, por ejemplo, la cuestión era qué pares se producen cuando se carga el abrepuertas", explica el Dr. Tobias Amann.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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