Método de impresión 3D crea objetos en una sola pieza.
12 02 2019Fuente: https://www.llnl.gov/news/3d-printing-method-creates-objects-one-piece
Parece algo que podrías encontrar a bordo del Starship Enterprise. Un proyector transmite un video tridimensional a un contenedor de resina fotosensible. El video se reproduce mientras el contenedor gira por unos minutos, luego el fluido se drena, dejando un objeto 3D completo y completamente formado.
Aunque parece ciencia ficción, no lo es, gracias a científicos e ingenieros del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ( LLNL ) y la Universidad de California, Berkeley ( UC Berkeley).), quienes han desarrollado un nuevo método de impresión 3D de alta velocidad llamado litografía axial computada (CAL). El método se describe en línea en la edición del 31 de enero de la revista Science.
«Este es un gran avance en el espacio de los posibles métodos para realizar una fabricación aditiva», dijo el ingeniero de LLNL Maxim Shusteff, coautor del artículo. «Lo que hace este enfoque es hacer posible que las piezas de polímero interesantes se realicen mucho más rápidamente, lo que a menudo es un cuello de botella, y ahora podemos pensar en utilizar materiales que no funcionen bien con métodos más lentos capa por capa».
Al igual que el método de láser de tres haces que el equipo publicó anteriormente , CAL crea partes completas a la vez. Sin embargo, tomando la inspiración de la tomografía computarizada (donde los rayos X se disparan desde diferentes ángulos para obtener imágenes de un volumen 3D), CAL usa fotones proyectados para iluminar la resina tipo jarabe, creando un video de proyecciones continuamente cambiante a medida que el vial gira. Como una tomografía computarizada hecha a la inversa, las proyecciones se combinan para formar un objeto 3D que está suspendido en la resina. La mayoría de las compilaciones que usan CAL tardan varios minutos en completarse, muchas veces más rápido que las técnicas de impresión 3D de polímeros existentes, según los investigadores.
«Este método es más poderoso que otros conceptos de VAM porque puede crear estructuras más complejas de una manera sin capas al usar tecnología de proyección estándar», dijo Chris Spadaccini, director del Centro de Fabricación de Materiales y Fabricación de LLNL y coautor del artículo. . «No tiene capas, produce piezas con buena rugosidad de la superficie, es rápido y creemos que es escalable a tamaños mucho más grandes».
Al usar un proyector en lugar de múltiples rayos láser (lo que requirió que los científicos tomen en cuenta y ajusten cada haz), los investigadores demostraron que podían proyectar 1,440 proyecciones diferentes (cuatro haces por grado en el espacio 3D) en la resina a medida que ésta gira. Esto hace que el proceso sea más fácil de controlar que otros métodos volumétricos basados en láser, según los investigadores, y permite una flexibilidad geométrica mucho más amplia, como la creación de curvas y superficies lisas.
CAL también es más barato que el enfoque volumétrico de haz múltiple, dijeron los investigadores, ya que emplea un proyector comercial estándar y productos químicos listos para usar. La flexibilidad, la amplia gama de materiales y la facilidad de uso hacen de CAL una tecnología prometedora para la industria, donde los científicos ven posibles aplicaciones en seguridad nacional, espacio, óptica, aeroespacio, ciencias de la vida, medicina, odontología, automóviles y bienes de consumo duraderos.
El desarrollo del método CAL tomó dos años. En 2016, Brett Kelly, estudiante graduado y coautor de UC Berkeley, quien trabajó en el proyecto volumétrico en LLNL, y su profesor Hayden Taylor de UC Berkeley, decidieron que era necesario un método alternativo para expandir la libertad geométrica e imprimir objetos complejos más arbitrarios. . Hicieron una lluvia de ideas sobre una solución que tomaría prestada computacionalmente de la tomografía computada para modelar las imágenes en 3D. Kelly luego se reunió con UC Berkeley Ph.D. el estudiante Indrasen Bhattacharya en una clase de posgrado en imágenes computacionales en la Universidad de California en Berkeley, donde presentaron la primera demostración de demostración de principio como un proyecto de clase.
«La impresión multihaz volumétrica podría hacer partes rápidamente, pero el mayor inconveniente era que se trataba de geometrías simples», dijo Taylor. “La idea clave que hace que CAL sea mucho más geométricamente capaz es la introducción de la rotación en relación con el material fotosensible. El número de grados de libertad se puede aumentar a voluntad. Teníamos la idea de que podíamos adaptar la imagen tomográfica y convertirla en algo para crear objetos, incluso algunos que no tienen simetría en absoluto «.
El proceso comienza con un modelo de diseño asistido por computadora (CAD). La proyección se calcula en cada ángulo, los investigadores ejecutan un algoritmo de optimización y el resultado es una serie de imágenes que aparecen como una proyección de video rotativa que se puede reproducir a una velocidad ajustada a la rotación del vial de resina. Después de varios minutos, aparece la estructura 3D, los investigadores detienen la exposición y drenan el líquido no curado, dejando solo el producto terminado. Ver vídeo .
Si bien el hardware requerido para realizar la CAL no es físicamente complicado, el software y las matemáticas detrás del proceso sí lo son. El trabajo requirió que los investigadores entendieran cómo interactuaba la luz con el material de resina. Bhattacharya, coautor del artículo, implementó una versión modificada del algoritmo de «retroproyección filtrada», que utiliza la optimización restringida para generar una secuencia de imágenes 2D con solo valores positivos. El algoritmo estableció el marco matemático que distribuiría la dosis correcta de luz para solidificar la resina correctamente y crear el objeto deseado.
«En la fabricación de aditivos en capas convencionales, las capas que se imprimen son las mismas que las que entran en el archivo de diseño que le dice a la impresora qué imprimir, lo que se ve es esencialmente lo que se obtiene», dijo Bhattacharya. “Sin embargo, en este caso, estamos proyectando imágenes que viajan a través de todo el volumen y cuando se combinan, se obtiene un volumen 3D que se parece a lo que necesita para imprimir. Debemos, desde el principio, aplicar el cálculo para calcular cuáles serán las imágenes proyectadas. No hay impresión sin el cálculo «.
Los primeros experimentos con CAL comenzaron en otoño de 2016. Para la primera prueba, el grupo de Berkeley imprimió con éxito un modelo 2D del logotipo de Cal, y lo siguió con modelos 3D simples de átomos y esferas. Las piezas de prueba subsiguientes impresas en Berkeley y Livermore incluían un modelo de avión pequeño, estructuras de celosía, una esfera desconectada dentro de una jaula, una lente y una versión miniaturizada de la famosa escultura de Rodin «El pensador». El objeto más grande era un modelo de un humano. tamaño de la línea de la mandíbula inferior, lo que demuestra que CAL podría utilizarse con habilidad para crear implantes dentales.
Una de las partes, un destornillador, es evidencia de la capacidad única de CAL de «sobreimpresión»: imprimir un objeto de polímero sobre un objeto existente. El concepto podría algún día ser utilizado en equipos deportivos personalizados, calzado, ropa y audífonos, dijo Kelly. Otra parte, una estructura de puente, mostró que los investigadores podrían eliminar la necesidad de estructuras de soporte de sacrificio que requieren los métodos de impresión tradicionales. Muchas de las partes fueron generadas por el estudiante de la UC Berkeley y coautor principal Hossein Heidari.
«El hecho de que el objeto emerja dentro del volumen de material no curado y se mantiene por las fuerzas de flotación del líquido circundante, permite, por primera vez, una impresión 3D sin soporte», dijo Heidari. “Entre todas las otras ventajas que esto trae, ahora podemos imprimir microestructuras extremadamente delicadas en materiales blandos tan deformables como la gelatina que comemos. Esto puede eliminar muchas de las limitaciones de fabricación que los ingenieros de tejidos y la comunidad de bioimpresión han estado enfrentando durante mucho tiempo «.
Heidari dijo que los investigadores han demostrado casi cero desperdicio de material y el 100% de reutilización del material no curado, otra ventaja que viene con la impresión 3D sin soporte. Kelly dijo que la técnica CAL también abre la puerta a la impresión con materiales como resinas poliméricas extremadamente viscosas que no se pueden usar con la impresión tradicional en 3D capa por capa.
«Ahora, podemos tomar esencialmente cualquier objeto arbitrario de un archivo de diseño y formarlo como un todo, en lugar de capa por capa», dijo Kelly. “Es un proceso completamente nuevo, y solo hemos arañado la superficie de lo que puede habilitar. Veo esto como una nueva categoría de técnica de fabricación aditiva que puede abrir muchas cosas. Estoy emocionado de ver a dónde vamos con otros investigadores ”.
El proyecto fue financiado a través del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio (LDRD, por sus siglas en inglés) de LLNL y por el apoyo al inicio de la facultad de UC Berkeley. Para abordar cualquier límite en geometrías, el equipo de LLNL está enfocando un nuevo proyecto de LDRD en la exploración de más materiales, con un énfasis en la química y el comportamiento 3D de la resina. El equipo de UC Berkeley está involucrado en el proyecto LDRD y está interesado en buscar aplicaciones de ciencias de la vida, como materiales blandos e ingeniería de tejidos. El trabajo continuará allí en la producción de estructuras de volúmenes mucho más grandes, dijeron los investigadores.
«Este es un gran ejemplo de cómo la colaboración entre personas con diferentes antecedentes y experiencia puede llevar a una nueva tecnología realmente innovadora», dijo Kelly. «Estoy entusiasmado con la forma en que este esfuerzo de colaboración permitió nuevos resultados que podrían no haberse materializado sin todas estas mentes trabajando en el problema».
La tecnología ya está generando interés por parte de socios comerciales. Shusteff de LLNL dijo que está «energizado» sobre las posibilidades de adopción de la industria, pero para demostrar la viabilidad comercial, los investigadores deberán demostrar que el método es lo suficientemente confiable y geométricamente preciso. En general, considera que CAL es un avance significativo en la impresión 3D y un método con un impacto potencialmente generalizado.
«Hemos visto muchos desarrollos, pero esto sugiere que aún queda mucho por hacer con diferentes enfoques», dijo Shusteff. «Realmente espero que sea un campo completamente nuevo porque ahora la gente puede pensar de esta manera al hacer una parte completa a la vez. En este sentido, la comunidad científica encontrará nuevas formas de configurar la distribución de energía. Esta es otra herramienta importante y nueva en nuestro kit de herramientas y es emocionante ver a dónde puede ir «.
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