Muestra de objetivo empresarial nº 1
Introducción
Impresión 4D – Definición
La introducción de la cuarta dimensión en la tecnología de impresión 3D se denomina «Impresión 4D». Con esta nueva dimensión, los objetos impresos en 3D tienen la capacidad de cambiar su forma por sí mismos ante la influencia de estímulos externos, como la luz, el calor, la electricidad, el campo magnético, etc. Al integrar la dimensión del tiempo, los objetos impresos cambian su forma dinámicamente en función de las necesidades y exigencias de la situación, sin necesidad de piezas electromecánicas ni partes móviles. Este fenómeno de cambio de forma de los objetos impresos en 3D se basa en la capacidad del material para transformarse en el tiempo en respuesta a estímulos específicos, y no requiere la intervención humana para ayudar en el proceso.
Emergencia de la impresión 4D a partir de la impresión 3D
La impresión 3D, una técnica de fabricación aditiva, está considerada como una de las innovaciones más disruptivas en el campo de la fabricación moderna. Ha transformado por completo la forma de fabricar piezas/componentes y equipos en la industria, junto con su diseño y desarrollo. La impresión 3D permite a los fabricantes e investigadores desarrollar formas y estructuras complejas, que antes se consideraban imposibles con los métodos de fabricación tradicionales. La tecnología de impresión 3D ha experimentado continuos avances en las últimas tres décadas y ha evolucionado drásticamente. A pesar de su capacidad para crear diseños complejos, bioinspirados y multimateriales, la impresión 3D aún no está preparada para ser adoptada en la fabricación a gran escala.
La creciente necesidad de objetos flexibles en diversas aplicaciones, como envases autoplegables, turbinas eólicas adaptables, etc., ha impulsado la aparición de la impresión 4D. En la actualidad, los investigadores se adelantan a la impresión 3D convencional, que fabrica estructuras a partir de un único material, para desarrollar una estructura metamaterial. La estructura metamaterial se genera combinando diferentes materiales que proporcionan respuestas estructurales superpuestas cuando son activados por estímulos externos. La impresión congruente de diferentes materiales formará la anisotropía del material, que permite al objeto cambiar la estructura doblándose, alargándose, retorciéndose y ondulándose a lo largo de sus ejes. Los investigadores siguen trabajando en la ampliación de estos cambios estructurales para crear taquillas, elevadores, microtubos, robots blandos, juguetes, etc. Esta capacidad de los objetos de transformar su estructura con el tiempo utilizando el comportamiento de diferentes materiales se denomina impresión 4D.
Las principales diferencias entre la impresión 3D y la impresión 4D son el uso de materiales a imprimir y la instalación de impresión. Los gráficos 1 y 2 que se muestran a continuación explican las principales diferencias entre la impresión 3D y la 4D.
Materiales y tecnologías de impresión 4D
Áreas principales de investigación
Como la tecnología de impresión 4D está todavía en su fase inicial, los materiales utilizados son mínimos. Sin embargo, se espera que la investigación y los avances en la impresión 3D proporcionen nuevas oportunidades para la impresión 4D. Las principales áreas de investigación en las que se centra actualmente la impresión en 4D se describen en la siguiente ilustración 3.
El material inteligente es una de las áreas de investigación más importantes en la impresión en 4D, en la que se sintetiza el mecanismo de deformación de varios materiales según sus respuestas a diversos estímulos externos. El diseño de equipos se ocupa de desarrollar una tecnología de impresión avanzada, que pueda imprimir múltiples materiales de forma congruente. En la actualidad, los investigadores utilizan métodos de curado por inyección de tinta directa, modelado por deposición fundida, estereolitografía, bioimpresión asistida por láser y fusión selectiva por láser para la impresión en 4D. La investigación sobre la modelización matemática es esencial para comprender las estructuras funcionales de los objetos impresos en 4D. Predice el proceso de deformación (hacia delante) y de formación (hacia atrás) de un objeto desencadenado por estímulos.
Selección de materiales
Los materiales para la impresión 4D se clasifican en función de su entorno o de los estímulos externos con los que reaccionan. Las clases actuales de materiales inteligentes se clasifican actualmente en las siguientes categorías:
Materiales termo sensibles
Estos materiales funcionan con el mecanismo del efecto de memoria de forma (SME). Se clasifican en aleaciones con memoria de forma (SMA), polímeros con memoria de forma (SMP), híbridos con memoria de forma (SMH), cerámicas con memoria de forma (SMC) y geles con memoria de forma (SMG). La mayoría de los investigadores prefieren los SMP porque es fácil imprimir en estos materiales. Se forman y deforman cuando se aplica calor o energía térmica como estímulo.
Materiales con respuesta a la humedad
Los materiales que reaccionan cuando entran en contacto con el agua o la humedad se clasifican en esta categoría. Tales materiales son ampliamente preferidos por los investigadores, ya que el agua está disponible en abundancia, y puede ser utilizada en una amplia gama de aplicaciones. El hidrogel es uno de los materiales inteligentes que entran en esta categoría, ya que reacciona enérgicamente con el agua. Por ejemplo, los hidrogeles pueden aumentar su tamaño hasta un 200% de su volumen original, cuando entran en contacto con el agua.
Materiales foto/electro/magnéticos
Estos materiales reaccionan con la luz, la corriente y los campos magnéticos. Por ejemplo, cuando los cromóforos fotosensibles se infunden en geles poliméricos en lugares específicos, se hinchan absorbiendo la luz cuando se exponen a la luz natural. Del mismo modo, cuando se aplica corriente a un objeto que contiene etanol, éste se evapora, aumentando así su volumen y expandiendo la matriz general. Las nanopartículas magnéticas se incrustan en el objeto impreso para obtener un control magnético del mismo.
Aplicaciones de la impresión 4D
La idea del objeto inteligente preprogramado (creado con materiales inteligentes) parece tener varias aplicaciones en diversos sectores. Sin embargo, al tratarse de una tecnología novedosa, la mayoría de las aplicaciones se encuentran actualmente en la fase de investigación &desarrollo. Se espera que las principales aplicaciones finales de la tecnología de impresión 4D surjan de los sectores de la sanidad, la automoción, la industria aeroespacial y el consumo. Sin embargo, se espera que el potencial de la impresión 4D afecte también a otros sectores, como el electrónico, el de la construcción, el industrial, etc., en un futuro próximo.
Algunas de las investigaciones actuales en el campo de la impresión 4D se representan en el Cuadro 5 que aparece a continuación.
El material autoinflable desarrollado por BMW, en colaboración con el MIT (como se muestra en el cuadro anterior) ha despertado el interés de varios expertos. El material, fabricado en silicona, se infla al recibir impulsos de aire y podría ser el futuro de la neumática. Aparte de los ejemplos citados, hay otras actividades de investigación &desarrollo emprendidas por los principales actores del sector de la impresión 4D. Por ejemplo, algunas de las aplicaciones en el sector de la salud son la «administración de fármacos dirigida», la «fabricación de stents» para una invasión quirúrgica mínima, el desarrollo de «férulas» que cambian de forma, etc. El desarrollo de «Robótica blanda» y «Actuadores hidráulicos y neumáticos» son algunas de las aplicaciones clave en este ámbito industrial. La construcción de carreteras y puentes autorreparables podrían ser aplicaciones potenciales en la industria de la construcción.
El siguiente Recuadro 6 explica la posible línea de tiempo del impacto de la impresión 4D en varias aplicaciones de las industrias.
Madurez tecnológica de la impresión 4D
El Recuadro 7 muestra la fase actual de los desarrollos tecnológicos en la impresión 4D. Al estar en la fase de desencadenamiento de la innovación, la tecnología ha creado ciertamente mucho revuelo; sin embargo, tardará más de 10 años en alcanzar la meseta de la productividad.
El ciclo de revuelo también señala que varios avances en la impresión 3D están todavía en las fases de desencadenamiento de la innovación y de expectativas infladas del ciclo de vida. Esto implica que la impresión 3D tiene un largo camino por recorrer, y la impresión 4D, que es la sucesora de la impresión 3D, podría ser lenta en su progreso. Sin embargo, no es obligatorio que los avances en la impresión 4D sigan siempre a la impresión 3D. Aparte de las capacidades de una impresora 3D (su capacidad de imprimir múltiples materiales de forma congruente y de imprimir en varios ejes), otras áreas de investigación centradas en los materiales inteligentes y el modelado matemático no dependen abiertamente de la impresión 3D.
Conclusión – Oportunidades y desafíos
Se están llevando a cabo varios proyectos de investigación y desarrollo específicos de la impresión 4D en sectores como la sanidad, la electrónica, la automoción, la industria aeroespacial y de defensa, los electrodomésticos (moda y bienes de consumo), el textil, la construcción y la maquinaria industrial. A pesar de ser una tecnología novedosa, las oportunidades potenciales que presenta la impresión 4D son enormes y así lo reconocen varios expertos en la materia.
El mercado de la impresión 4D está empezando a establecerse, debido a las numerosas actividades de investigación y desarrollo. La opinión sobre el crecimiento del mercado es variada entre los expertos. La visión optimista de la tecnología sugiere que el mercado crecería a una CAGR de aproximadamente el 33% (un aumento estimado del tamaño del mercado de 35 millones de dólares en 2019 a 200 millones de dólares en 2025). Sin embargo, al tratarse de una tecnología novedosa en su fase inicial, FutureBridge predice que el mercado de la impresión en 4D crecerá a un ritmo ligeramente inferior, del 20%, para 2025 (véase la ilustración 8).
A pesar de ser una tecnología prometedora, la impresión en 4D debe superar varios obstáculos tecnológicos antes de ser adoptada de forma generalizada. Algunos de los principales retos del sector de la impresión son la falta de capacidad para proporcionar estructuras de soporte para objetos complejos, la falta de impresoras multimateriales, la falta de impresoras de bajo coste y materiales inteligentes, la lentitud de los tiempos de impresión y la escasa fiabilidad de los objetos impresos a largo plazo. Aunque hay ciertos avances en la tecnología de impresión, como los equipos de impresión de 5 ejes, que se espera que eliminen el problema de la construcción de estructuras de soporte para estructuras internas complicadas, todavía quedan otros retos.
Además, retos como la actuación lenta e inexacta, la falta de control sobre los estados intermedios de deformación y la disponibilidad limitada de materiales son otras razones para el retraso en la adopción de la tecnología de impresión 4D. Sin embargo, teniendo en cuenta el interés mostrado por los fabricantes y el alto nivel de actividades de investigación y desarrollo respecto a la impresión 4D, la tecnología podría dar un salto exponencial a un ritmo más rápido que el previsto. Por último, los fabricantes que quieran estar a la vanguardia de los cambios y avances tecnológicos deberían estar al tanto de los avances tecnológicos y las posibles implicaciones de la impresión 4D.