Así funciona el nuevo tipo de impresión 3D a base de ondas sonoras

La mayoría de los métodos de impresión 3D actualmente en uso se basan en reacciones activadas por foto (luz) o termo (calor) para lograr una manipulación precisa de los polímeros. El desarrollo de una nueva tecnología de plataforma llamada impresión directa de sonido (DSP), que utiliza ondas de sonido para producir nuevos objetos, puede ofrecer una tercera opción.

El proceso se describe en un artículo publicado en Nature Communications . Muestra cómo se pueden usar ondas de ultrasonido enfocadas para crear reacciones sonoquímicas en regiones de cavitación minúsculas, esencialmente burbujas diminutas. Los extremos de temperatura y presión que duran trillonésimas de segundo pueden generar geometrías complejas prediseñadas que no se pueden hacer con las técnicas existentes.

“Las frecuencias ultrasónicas ya se están utilizando en procedimientos destructivos como la ablación con láser de tejidos y tumores. Queríamos usarlos para crear algo”, dice Muthukumaran Packirisamy , profesor y Presidente de Investigación de Concordia en el Departamento de Ingeniería Mecánica, Industrial y Aeroespacial de la Escuela de Ingeniería e Informática Gina Cody . Es el autor correspondiente del artículo.

Mohsen Habibi , investigador asociado en el Laboratorio de Microsistemas Ópticos-Bio de Concordia , es el autor principal del artículo. Su colega de laboratorio y estudiante de doctorado Shervin Foroughi y el ex estudiante de maestría Vahid Karamzadeh son coautores.

Reacciones ultraprecisas

Como explican los investigadores, la DSP se basa en reacciones químicas creadas por la presión fluctuante dentro de pequeñas burbujas suspendidas en una solución de polímero líquido.

“Descubrimos que si usamos cierto tipo de ultrasonido con cierta frecuencia y potencia, podemos crear regiones químicamente reactivas muy locales y muy enfocadas”, dice Habibi. “Básicamente, las burbujas se pueden usar como reactores para impulsar reacciones químicas para transformar la resina líquida en sólidos o semisólidos”.  

Las reacciones causadas por la oscilación dirigida por ondas de ultrasonido dentro de las microburbujas son intensas, aunque solo duran picosegundos. La temperatura dentro de la cavidad se dispara hasta alrededor de 15.000 Kelvin y la presión supera los 1.000 bar (la presión en la superficie de la Tierra al nivel del mar es de alrededor de un bar). El tiempo de reacción es tan breve que el material circundante no se ve afectado.

Los investigadores experimentaron con un polímero utilizado en la fabricación aditiva llamado polidimetilsiloxano (PDMS). Usaron un transductor para generar un campo ultrasónico que atraviesa la cubierta del material de construcción y solidifica la resina líquida objetivo y la deposita en una plataforma u otro objeto previamente solidificado. El transductor se mueve a lo largo de una ruta predeterminada, creando eventualmente el producto deseado píxel por píxel. Los parámetros de la microestructura se pueden manipular ajustando la duración de la frecuencia de la onda de ultrasonido y la viscosidad del material que se utiliza.

Versátil y específico.

Los autores creen que la versatilidad de DSP beneficiará a las industrias que dependen de equipos altamente específicos y delicados. El polímero PDMS, por ejemplo, se usa ampliamente en la industria de microfluidos, donde los fabricantes requieren entornos controlados (salas limpias) y técnicas litográficas sofisticadas para crear dispositivos médicos y biosensores.

La ingeniería y reparación aeroespaciales también pueden beneficiarse de DSP, ya que las ondas de ultrasonido penetran superficies opacas como caparazones metálicos. Esto puede permitir que los equipos de mantenimiento reparen piezas ubicadas en lo profundo del fuselaje de una aeronave que serían inaccesibles para las técnicas de impresión que dependen de reacciones fotoactivadas. DSP podría incluso tener aplicaciones médicas para la impresión remota en el cuerpo de humanos y otros animales.

“Demostramos que podemos imprimir múltiples materiales, incluidos polímeros y cerámica”, dice Packirisamy. "Vamos a probar compuestos de polímero y metal a continuación y, finalmente, queremos llegar a imprimir metal con este método".

Fuente:https://www.concordia.ca/news/stories/2022/05/31/direct-sound-printing-is-a-potential-game-changer-for-manufacturers-of-microdevices.html