Llega la tecnología de fabricación en la cuarta dimensión

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Las impresoras 3D son ya un accesorio estándar en muchos laboratorios de investigación. Investigadores de la ETH Zurich están tratando añadir una cuarta dimensión a esta tecnología: el tiempo.

La impresión 4D crea objetos movibles y variables en la forma, como componentes planos que se pueden plegar posteriormente en objetos tridimensionales o incluso objetos que pueden cambiar su forma como resultado de influencias externas.

Kristina Shea y su grupo del Laboratorio de Diseño e Informática de Ingeniería ha ido un paso más lejos desarrollando un principio de construcción que permita controlar la deformación. “Las estructuras planas que producimos no cambian su configuración al azar, sino más bien exactamente en la forma en que las diseñamos”, dice en un comunicado Tian Chen, estudiante de doctorado en el grupo de Shea. Las estructuras también pueden soportar el peso. Los científicos de la ETH son los primeros en crear este tipo de objetos 4D.

El principio estructural depende de un elemento de actuación desarrollado por los científicos para asumir dos estados posibles: retraído o extendido. Los investigadores combinaron estos elementos para crear estructuras más complejas. Como los elementos individuales pueden asumir sólo uno de los dos estados específicos, los investigadores pueden predecir la forma tridimensional estable de la estructura global. Esto también permite estructuras que pueden asumir varias formas estables. Y como los investigadores también han desarrollado software de simulación, pueden predecir con precisión las formas y la fuerza que deben aplicarse para producir la deformación. Esto les ayuda en el diseño de objetos.

Los científicos imprimieron sus estructuras con una impresora profesional multi-material 3D, que puede imprimir objetos de hasta 40 materiales diferentes. Los objetos creados por los científicos ETH comprenden dos de ellos: un polímero rígido que constituye la mayor parte de la estructura y un polímero elástico para las partes móviles. Los investigadores imprimen todas las partes en un solo paso.

“La impresión 4D tiene varias ventajas”, dice Shea. “Imprimir una forma inicial plana con secciones rígidas y elásticas en un solo paso es muy eficiente. Sería mucho más complejo y requeriría mucho tiempo producir el objeto tridimensional o ensamblarlo a partir de componentes separados”. Además, la estructura plana ahorra espacio en el transporte y luego se puede desplegar en el destino final. Se han utilizado enfoques similares en el sector aeroespacial desde hace bastante tiempo; por ejemplo, para transportar estructuras al espacio en un estado de ahorro de espacio comprimido.

El aeroespacio es una posible aplicación para la impresión 4D. Pero los científicos también están considerando la simple construcción de sistemas de ventilación, sistemas para abrir y cerrar válvulas o aplicaciones médicas, como stents.

En la actualidad, los científicos están reconfigurando estas estructuras a mano, pero están trabajando en una unidad para sus elementos que extenderá las estructuras en reacción a la temperatura. También dicen que podría ser posible controlar las estructuras utilizando tubos neumáticos (aire comprimido) o hinchado de materiales que cambian de forma dependiendo de la humedad.

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