La tecnología detrás de la impresión 3D —que inicialmente surgió de trabajos realizados en el MIT— ha crecido enormemente en los últimos años y abarca una amplia variedad de materiales, entre ellos plásticos y metales. Al mismo tiempo, el costo de las impresoras 3D ha bajado lo suficiente como para convertirlas en productos de consumo doméstico.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha abierto una nueva frontera en la impresión 3D: la capacidad de imprimir objetos de vidrio ópticamente transparentes.
El nuevo sistema, descrito en la revista Journal of 3D Printing and Additive Manufacturing, fue desarrollado por Neri Oxman, profesora asociada del MIT Media Lab; Peter Houk, director del MIT Glass Lab; los investigadores del MIT John Klein y Michael Stern; y otras seis personas.
Otros grupos han intentado imprimir objetos de vidrio en 3D, pero un obstáculo importante ha sido la temperatura extremadamente alta necesaria para fundir el material. Algunos han utilizado partículas diminutas de vidrio, unidas entre sí a una temperatura más baja mediante una técnica llamada sinterización. Pero estos objetos son estructuralmente débiles y ópticamente opacos, lo que elimina dos de los atributos más deseables del vidrio: la resistencia y la transparencia.
El sistema de alta temperatura desarrollado por el equipo del MIT conserva esas propiedades y produce objetos de vidrio impresos que son a la vez resistentes y totalmente transparentes a la luz. Al igual que otras impresoras 3D que ya se comercializan, el dispositivo puede imprimir diseños creados con un programa de diseño asistido por ordenador, lo que produce un producto terminado con poca intervención humana.
En la versión actual, el vidrio fundido se carga en una tolva situada en la parte superior del dispositivo, después de haberlo recogido de un horno convencional de soplado de vidrio. Una vez terminada, la pieza debe cortarse de la plataforma móvil sobre la que se ensambla.
Durante el funcionamiento, la tolva del dispositivo y una boquilla, a través de la cual se extruye el vidrio para formar el objeto, se mantienen a unos 1.900 grados Fahrenheit, una temperatura muy superior a la empleada en otros procesos de impresión 3D. El chorro de vidrio fundido incandescente que sale de la boquilla se asemeja a la miel mientras se enrolla sobre una plataforma, enfriándose y endureciéndose a medida que avanza.
Uno de los desafíos que enfrentaron los investigadores fue mantener el filamento de vidrio lo suficientemente caliente como para que la siguiente capa de la estructura se adhiriera a él, pero no tanto como para que la estructura colapsara en una masa informe. Terminaron produciendo tres componentes independientes que pueden calentarse por separado a las temperaturas requeridas: el depósito superior para la reserva de vidrio fundido, la boquilla en la parte inferior de esa cámara y una cámara inferior donde se construye el objeto impreso.
Según Klein, el concepto comenzó como un proyecto en un curso sobre fabricación aditiva; él y otros decidieron perfeccionar la idea cuando los primeros trabajos demostraron que tenía potencial. Pero el proceso seguía siendo largo y laborioso, con muchos ensayos y errores.
“El vidrio es, por naturaleza, un material muy difícil de trabajar”, afirma Klein: su viscosidad cambia con la temperatura, lo que exige un control preciso de la temperatura en todas las etapas del proceso.
Según Oxman, el nuevo proceso podría permitir un control sin precedentes sobre las formas de vidrio que pueden producirse.
“Podemos diseñar e imprimir componentes con grosores variables y elementos internos complejos, a diferencia del soplado de vidrio, donde las características internas reflejan la forma exterior”, explica Oxman. Por ejemplo, añade: “Podemos controlar la transmitancia solar. … A diferencia de una pieza de vidrio prensado o soplado, que necesariamente tiene una superficie interior lisa, una pieza impresa puede tener elementos superficiales complejos tanto en el interior como en el exterior, y dichos elementos podrían actuar como lentes ópticas.”
Oxman añade que prevé que el proceso se adapte para crear estructuras mucho más grandes.
“¿Podríamos superar la tradición arquitectónica moderna de particiones formales y funcionales diferenciadas, y generar una piel de edificio integrada que sea a la vez estructural y transparente?”, pregunta. “Como el vidrio es a la vez estructural y transparente, resulta relativamente fácil considerar la integración del rendimiento estructural y ambiental del edificio dentro de una única piel integrada.”
Houk señala varias líneas adicionales para seguir impulsando la investigación. Una de ellas consiste en añadir presión al sistema, ya sea mediante un émbolo mecánico o gas comprimido, para producir un flujo más uniforme y, por tanto, un ancho más uniforme del filamento de vidrio extruido. Otros trabajos se centrarán en el uso de colores en el vidrio, que el equipo ya ha demostrado en pruebas limitadas.
Klein afirma que el sistema de impresión es un ejemplo de trabajo multidisciplinar facilitado por las fronteras departamentales flexibles del MIT; en este caso, participan miembros del Media Lab, del Departamento de Ingeniería Mecánica y del MIT Glass Lab, que forma parte del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
En el MIT, el equipo de investigación también incluyó a Markus Kayser, Chikara Inamura y Shreya Dave. A ellos se sumaron James Weaver, del Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología de la Universidad de Harvard, y Giorgia Franchin y Paolo Colombo, de la Universidad de Padua, en Italia.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: David L. Chandler escribe para MIT News.
Imagen: Una figurilla es impresa por la impresora 3D F1 de Aurora durante la exposición Computex 2014 en el pabellón de exposiciones TWTC Nangang, en Taipéi. REUTERS/Pichi Chuang
