La impresión 3D ha demostrado con creces su valor como alternativa revolucionaria a los métodos de fabricación tradicionales. Sin embargo, también tiene que ponerse al día con otras tendencias en el mundo de la fabricación. Es decir, la impresión 3D debe mantenerse al día con la demanda de que todo sea más pequeño, desde chips de computadora hasta piezas de hardware.
Si bien la libertad de diseño es el punto más fuerte de la impresión 3D, ha tenido problemas con la precisión y la exactitud. Para cerrar esta brecha, se deberá desarrollar una impresora 3D completamente nueva. No se preocupe, porque algunas empresas ya han trabajado arduamente para resolver este problema tan específico.
¿Por qué la necesidad de impresoras 3D a microescala?
A pesar de lo revolucionaria que es la impresión 3D, a menudo tiene un nivel de precisión limitado. Hay varios factores limitantes que entran en juego. En las impresoras 3D estándar basadas en filamentos, el nivel de precisión de los detalles está determinado por el tamaño de la boquilla. La precisión de la impresión 3D basada en resina depende de la precisión de la fuente de luz que provoca la fotopolimerización. También existe la limitación física en el tamaño de la boquilla en los métodos de impresión 3D que se basan en la inyección de aglomerante.
En comparación con métodos más tradicionales como el moldeo por inyección, la impresión 3D aún se considera inferior en términos de precisión. Por esta razón, no muchas empresas confían en la impresión 3D cuando fabrican piezas muy pequeñas. Estos incluyen microchips, audífonos, herramientas quirúrgicas y componentes para la óptica.
Claramente, existe una brecha para las aplicaciones a microescala de la impresión 3D. Normalmente, los moldes necesarios para producir estas piezas muy pequeñas son muy caros cuando se realizan mediante moldeo por inyección. La impresión 3D tiene el potencial de hacer bajar estos precios. Llevar la libertad de diseño de la impresión 3D a la microescala también puede abrir las puertas a una gran cantidad de estructuras complejas que los métodos de fabricación más tradicionales no pueden producir.
¿La tecnología ya existe?
Sí, la tecnología para imprimir objetos a microescala en 3D ya existe. Varias empresas e institutos de investigación han estado trabajando para manifestar esta idea durante los últimos años. A la cabeza está Boston Micro Fabrication (BMF), una empresa que fue cofundada por un profesor del MIT en 2016.
El último lanzamiento de alto perfil de BMF es su impresora microArch s240. La compañía afirma que esta es la única impresora 3D de microprecisión diseñada para la producción industrial de tiradas cortas. La microArch s240 es una versión mejorada de la línea anterior de impresoras nanoArch de la empresa y utiliza una tecnología similar de su sistema patentado Projection Micro Stereolithography.
Según la descripción del producto, el microArch s240 puede lograr una resolución de 2 µm a 50 µm con una tolerancia de 5 µm a 25 µm. Para poner esos números en contexto, el grosor promedio de una hebra de cabello humano es de aproximadamente 70 µm. Esto pone de relieve cuán increíblemente precisas pueden ser las impresoras 3D a microescala.
BMF no es la única empresa en este espacio. Otro fuerte competidor es Nanoscribe, con sede en Alemania. Su impresora Photonic Professional GT2 utiliza una tecnología de polimerización de dos fotones para crear características submicrométricas. Está clasificado con un tamaño de característica XY mínimo de 200 nm y una resolución vertical de 1500 nm. El Photonic Professional GT2 se puede utilizar para microóptica, micromecánica, ingeniería biomédica y nanoestructuras, entre otros campos.
Nanofabrica de Israel también ofrece resolución a microescala con su impresora 3D Tera 250. Usando litografía de semiconductores con óptica avanzada, el Tera 250 ofrece una combinación impresionante de una resolución de 1 micrómetro y un volumen de construcción relativamente grande. La solución que ofrece Nanofabrica es especialmente adecuada para requisitos de gran volumen de piezas muy pequeñas y precisas.
Finalmente, un equipo de investigación de la Universidad Nacional de Yokohama ha ido un paso más allá al desarrollar una impresora 3D de múltiples materiales que también produce características a microescala. La técnica basada en SLA utiliza la suspensión de varios tipos de resinas en un estado de gota que evita que se contaminen entre sí. El trabajo de investigación entra en amplios detalles sobre cómo el equipo diseñó el proceso de impresión 3D para microestructuras.
Es evidente que este es un campo muy joven que actualmente solo sirve a un nicho de mercado. BMF parece estar por delante de la curva tecnológica y probablemente tenga la ventaja de dar el primer paso. Esperamos que más empresas entren en juego en caso de que haya una gran demanda de la tecnología.
¿Cómo funcionan estas impresoras 3D a microescala?
Al ser un campo bastante inmaduro, las empresas en este espacio han adoptado enfoques muy diferentes para lograr una resolución a microescala. La mejor tecnología a analizar sería la utilizada por BMF ya que es la más desarrollada y documentada.
La línea microArch de impresoras 3D de BMF se basa en el concepto de fotopolimerización. La impresora utiliza resina de cerámica o fotopolímero como materia prima. BMF también se ha asociado con la empresa de productos químicos especializados BASF para producir el fotopolímero especial BMF RG. Esta es una versión de mayor resistencia del fotopolímero estándar que es más adecuada para las demandas de producción industrial o médica que requieren una mayor complejidad geométrica.
El proceso de impresión 3D de las impresoras microArch se denomina microestereolitografía, que se basa en la tecnología Digital Light Processing (DLP). Esto implica la fotopolimerización de la resina usando destellos de luz precisos. DLP cura una capa completa a la vez, lo que la convierte en una opción más rápida y adecuada para la producción de piezas de alto volumen.
Para lograr una resolución a microescala, las impresoras microArch usan lentes especiales para enfocar la luz en puntos más pequeños. Esto también cuenta con la ayuda de software especial y sistemas de control para el movimiento de alta precisión de la plataforma de construcción.
El potencial de las impresoras 3D a microescala
En este momento, el mercado de la impresión 3D a microescala sigue siendo inmaduro y de bajo perfil. A medida que la tecnología se vuelve más conocida, esperamos aplicaciones que sean más industriales o comerciales. Es probable que empresas como BMF y Nanoscribe reconozcan estas tendencias al diseñar sus impresoras 3D para velocidades de producción y volúmenes de construcción más altos.
Uno de los casos de uso más convincentes de la impresión 3D a microescala es como reemplazo del moldeo por inyección de alta precisión. Según BMF, los moldes que pueden reproducir características a microescala pueden tener un costo prohibitivo de hasta medio millón de euros para producir. La impresión 3D tiene el potencial de reducir significativamente esos costos.
La bioimpresión es otro campo con un enorme potencial si se combina con la impresión 3D a microescala. En una asociación reciente formada por Nanoscribe con el grupo CELLINK, las empresas acordaron trabajar en la bioimpresión de microambientes vasculares que pueden ayudar a los estudios celulares y al desarrollo de productos como microagujas y membranas microporosas.
Ya sea para la electrónica, los dispositivos mecánicos o la investigación médica, todavía hay mucho espacio para que se desarrolle la impresión 3D a microescala. Si bien es poco probable que las impresoras 3D reales lleguen a nuestros talleres domésticos, aún podemos beneficiarnos de los productos de esta tecnología.
Para ir finalizando
Como han demostrado empresas como BMF, todavía hay mucho espacio para crecer en la industria de la impresión 3D. Han adoptado un enfoque diferente para el crecimiento, haciéndose más pequeños. Este avance ya se ha vuelto útil en campos como la investigación médica y el diseño de la electrónica.
Ahora que han demostrado que es posible imprimir características en 3D a una escala micrométrica, el próximo desafío es aumentar la producción a un nivel en el que sea económicamente factible. Si la impresión en 3D de casas enteras no funciona, todavía hay mucho potencial por explorar si se va a lo pequeño en lugar de a lo grande.
Advertencia; Las impresoras 3D nunca deben dejarse desatendidas. Pueden representar un peligro de seguridad contra incendios.