Investigadores de la Universidad de Tokio desarrollan un nuevo método de impresión 4D para una fabricación más eficiente y sostenible

Investigadores de la Universidad de Tokio han presentado un nuevo método que combina impresión 2D, origami y química para lograr una rápida fabricación de objetos 3D sin generar desperdicio de material.

Conocido como impresión 4D, este método introduce un enfoque distintivo de fabricación 3D, con el potencial de superar limitaciones y abrir perspectivas intrigantes para diversas industrias. A diferencia de las técnicas convencionales de impresión 3D capa por capa, que provocan tiempos de producción prolongados y desperdicio de material, los investigadores se inspiraron en la impresión 4D. Aquí, materiales con propiedades únicas se pliegan en formas tridimensionales complejas bajo condiciones específicas, aprovechando el tiempo como un aspecto crucial en la transformación.

"Nuestro mayor desafío fue refinar las opciones de hardware y materiales, lo que llevó más de un año reducirlas a las opciones finales", dijo Koya Narumi, profesora asistente de proyectos, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Sistemas de Información de la Universidad de Tokio. “Pero todo el ensayo y error valió la pena; En comparación con investigaciones anteriores sobre esta misma idea básica, hemos mejorado la resolución de salida 1200 veces, lo que significa que los diseños que podemos crear no son solo novedades, sino que pueden usarse para aplicaciones reales. En el futuro, es posible que exploremos materiales funcionales, como tintas conductoras o magnéticas, que podrían permitir máquinas y otros dispositivos funcionales”.

Un nuevo método para una fabricación rápida y sin residuos

En el centro de la técnica se encuentra una impresora de inyección de tinta especializada diseñada para manejar materiales reactivos a los rayos UV. Aunque estas impresoras pueden implicar un costo mayor, son fácilmente accesibles en comunidades de creadores y talleres compartidos. La impresora aplica un diseño de origami 2D con precisión en ambos lados de una lámina de plástico termorretráctil. Además, la tinta utilizada en el proceso de impresión no se ve afectada durante la contracción posterior, lo que garantiza que conserva su flexibilidad incluso después del secado. Al incorporar estratégicamente espacios entre las secciones de tinta de cada lado, los diseñadores obtienen un control preciso sobre la dirección de plegado de la hoja.

El proceso de autoplegado se activa sometiendo la lámina plana a calor con agua caliente. Como resultado de esta exposición al calor, la lámina base se encoge. Durante este proceso, la tinta, que exhibe resistencia a la contracción, juega un papel fundamental, lo que hace que el material se pliegue espontáneamente en una estructura compleja similar a un origami.

"Mi equipo y yo descubrimos cómo utilizar herramientas y materiales accesibles para crear objetos 4D autoplegables", añadió Narumi. “Básicamente, estamos creando láminas planas con patrones de origami, y estos patrones pueden ser complejos, e incluso a un artista experto en origami le lleva horas formarlos. Pero gracias a nuestro proceso especial, puedes verter agua caliente sobre estas láminas planas y observar cómo surgen formas complejas en 3D en cuestión de segundos”.

Los investigadores han expresado entusiasmo por el importante potencial de esta técnica única en diversas aplicaciones. Entre ellos, la industria de la moda se beneficia, ya que a menudo se enfrenta al desperdicio de material, particularmente en el contexto de los diseños a medida. La capacidad de la tecnología para transportar artículos impresos en 4D mientras permanecen planos ofrece una solución atractiva para abordar obstáculos logísticos y de almacenamiento, lo que la convierte en una opción pragmática para condiciones de recuperación ante desastres. Los elementos esenciales, como los equipos médicos, se pueden imprimir como formas planas y transformarse en objetos 3D completamente funcionales in situ.

Como afirman los investigadores, el proceso de impresión 4D se encuentra actualmente en continua exploración y desarrollo, lo que proporciona información sobre un futuro potencial en el que la fabricación rápida y sin residuos podría convertirse en una realidad. Los investigadores afirmaron que "anticipan con impaciencia" su implementación práctica y su impacto en diversas industrias.

Impresión 4D: la próxima frontera en la fabricación 3D

Investigadores chinos de la Universidad de Tianjin lograron imprimir en 4D un robot blando autopropulsado capaz de moverse de forma independiente. Construido con un material elastómero de cristal líquido, el robot presentaba una estructura en forma de tubo que se autoensamblaba tras la exposición al calor. A través de patrones de pliegue inteligentemente programados, los investigadores indujeron tensión dentro del cuerpo del robot, permitiéndole rodar de manera similar a un tronco. En particular, este robot blando impreso en 4D mostró capacidades superiores, incluido atravesar superficies planas, ascender una pendiente de 20° y transportar con éxito una carga de hasta 40 veces su propia masa.

Investigadores de la Universidad de Stuttgart y la Universidad de Friburgo desarrollaron un nuevo método de impresión 4D de dispositivos médicos portátiles que podrían autoajustarse a la anatomía del paciente. Inspirándose en el mecanismo de propagación de la planta aérea de la papa (Dioscorea bulbifera), los sistemas impresos fueron preprogramados para realizar movimientos complejos cuando se exponen a la humedad. El equipo aprovechó con éxito el enfoque para imprimir en 4D una férula ortopédica de muñeca autoajustable que se envolvía sola alrededor del brazo del paciente.

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La imagen destacada muestra capas 2D para diseños 4D. Aunque las hojas de origami impresas son esencialmente planas, combinan muchas capas de diferentes tintas encima y debajo del material de la hoja central termocontraíble. Una imprimación ayuda a que las tintas se adhieran a la hoja, incluso cuando están mojadas. La tinta negra es la que resiste el encogimiento para permitir que se realicen los pliegues. Una capa blanca proporciona un lienzo en blanco para una capa de color. Y una última capa transparente protege a todos los que están debajo. Imagen vía Koya Narumi.

Con experiencia en periodismo, Ada tiene un gran interés en la tecnología de vanguardia y su aplicación en el resto del mundo. Ada informa sobre aspectos de la impresión 3D que van desde la industria aeroespacial y automotriz hasta la médica y dental.