Un nuevo método desarrollado por investigadores del MIT utiliza impresoras 3D convencionales para producir dispositivos funcionales con la electrónica ya integrada en su interior. Los dispositivos están hechos de fibras que contienen múltiples materiales interconectados, que pueden iluminarse, detectar su entorno, almacenar energía o realizar otras acciones.
El nuevo método de impresión 3D se describe en la revista Nature Communication, en un artículo del estudiante de doctorado del MIT Gabriel Loke, los profesores John Joannopoulos y Yoel Fink, y otras cuatro personas del MIT y de otras instituciones.
El sistema utiliza impresoras 3D convencionales equipadas con una boquilla especial y un nuevo tipo de filamento que sustituye al habitual filamento de polímero de un solo material, que normalmente se funde por completo antes de ser extruido por la boquilla de la impresora. El nuevo filamento de los investigadores tiene una estructura interna compleja formada por distintos materiales dispuestos en una configuración precisa, y está recubierto exteriormente por un revestimiento de polímero.
En la nueva impresora, la boquilla funciona a una temperatura más baja y hace avanzar el filamento más rápido de lo que lo hacen las impresoras convencionales, de modo que solo se funde parcialmente su capa exterior. El interior permanece frío y sólido, y sus funciones electrónicas integradas no se ven afectadas. De este modo, la superficie se funde lo justo para que se adhiera firmemente a los filamentos adyacentes durante el proceso de impresión y se obtenga una estructura 3D resistente.
Los componentes internos del filamento incluyen hilos metálicos que actúan como conductores, semiconductores que pueden utilizarse para controlar funciones activas y aislantes poliméricos que evitan que los hilos entren en contacto entre sí. Como demostración, el equipo imprimió un ala para un avión a escala, utilizando filamentos que contenían tanto electrónica emisora como detectora de luz. Estos componentes podrían, potencialmente, revelar la formación de microfisuras que pudieran desarrollarse.
Mientras que los filamentos utilizados en el ala de demostración contenían ocho materiales diferentes, Loke afirma que, en principio, podrían contener incluso más. Hasta este trabajo, dice, "todavía no existía una impresora capaz de depositar metales, semiconductores y polímeros en una sola plataforma, porque la impresión de cada uno de estos materiales requiere hardware y técnicas diferentes".
Este método es hasta tres veces más rápido que cualquier otro enfoque actual para fabricar dispositivos 3D, afirma Loke, y, como ocurre con todas las impresoras 3D, ofrece mucha más flexibilidad en cuanto a los tipos de formas que pueden producirse que los métodos de fabricación habituales. "Exclusivo de la impresión 3D, este enfoque permite construir dispositivos de cualquier forma libre, lo que no es posible con ningún otro método hasta ahora", afirma.
El método utiliza fibras estiradas térmicamente que contienen diversos materiales incorporados en su interior, un proceso que Fink y sus colaboradores llevan dos décadas perfeccionando. Han creado una serie de fibras que tienen componentes electrónicos en su interior, lo que les permite llevar a cabo diversas funciones. Por ejemplo, para aplicaciones de comunicación, las luces intermitentes pueden transmitir datos que son recogidos después por otras fibras que contienen sensores de luz. Este enfoque ha producido por primera vez fibras, y tejidos tejidos con ellas, que tienen estas funciones integradas.
Ahora, este nuevo proceso pone a disposición toda esta familia de fibras como materia prima para producir dispositivos 3D funcionales capaces de detectar, comunicarse o almacenar energía, entre otras acciones.
Para fabricar las propias fibras, los distintos materiales se ensamblan inicialmente en una versión a mayor escala denominada preforma, que luego se calienta y se estira en un horno para producir una fibra muy fina que contiene todos esos materiales, en sus mismas posiciones relativas exactas, pero con un tamaño considerablemente reducido.
El método podría desarrollarse aún más para producir una variedad de dispositivos distintos, especialmente para aplicaciones en las que la capacidad de personalizar con precisión cada dispositivo es esencial. Un ámbito de este tipo son los dispositivos biomédicos, donde puede ser importante adaptar el dispositivo al propio cuerpo del paciente, afirma Fink, profesor de ciencia de materiales, así como de ingeniería eléctrica e informática, director ejecutivo de la organización sin ánimo de lucro Advanced Functional Fabrics of America y director asociado del Research Laboratory of Electronics.
Por ejemplo, algún día las extremidades protésicas podrían imprimirse con este método, ajustándose no solo a las dimensiones y contornos precisos de la extremidad del paciente, sino también con toda la electrónica necesaria para monitorizar y controlar la extremidad integrada en su lugar.
Con los años, el grupo ha desarrollado una amplia gama de fibras que contienen diferentes materiales y funcionalidades. Loke afirma que prácticamente todas ellas pueden adaptarse a la nueva técnica de impresión 3D, lo que permite imprimir objetos con una gran variedad de combinaciones de materiales y funciones. El dispositivo utiliza un tipo estándar de impresora 3D conocido como impresora de modelado por deposición fundida (FDM), que ya se encuentra en muchos laboratorios, oficinas e incluso hogares.
Una aplicación que podría ser posible en el futuro sería imprimir materiales para implantes biomédicos que proporcionen un andamiaje para el crecimiento de nuevas células que reemplacen un órgano dañado, e incluyan en su interior sensores para monitorizar el progreso de ese crecimiento.
El nuevo método también podría ser útil para la creación de prototipos de dispositivos, una aplicación ya importante de la impresión 3D, pero en este caso los prototipos tendrían funcionalidad real, en lugar de ser modelos estáticos.
El equipo de investigación incluyó al estudiante de posgrado del MIT Rodger Yuan; al exestudiante de posgrado del MIT Michael Rein, que actualmente trabaja en AFFOA; al posdoctorado Tural Khudiyev y al estudiante de grado Yash Jain, de la Universidad Stony Brook (Nueva York). El trabajo contó en parte con el apoyo de la National Science Foundation, el U.S. Army Research Laboratory y la U.S. Army Research Office a través del Institute for Soldier Nanotechnologies.
