Desde cero: llevar la tecnología de impresión 3D al siguiente nivel

Un baño de soporte que se utiliza para respaldar la integridad estructural de los tejidos impresos, lo que permite la impresión con complejidades anatómicas. Crédito: Patrick Mansell/Penn State. comunes creativos

21 de marzo de 2022

Por Sara LaJeunesse

Timothy Simpson es el orgulloso propietario de un reloj de pulsera personalizado, uno de los pocos fabricados íntegramente en los Estados Unidos en estos días. Creado por Vortic Watch Company, una firma propiedad del ex alumno de Penn State, RT Custer, la pieza es un hermoso reloj de bolsillo de 1908 fabricado en Waltham, Massachusetts, que está encerrado en una carcasa exterior de titanio impresa en 3D y equipado con una correa de cuero personalizada.

Con la impresión 3D, "Vortic pudo dar nueva vida a una antigüedad y crear un nicho de artículos de lujo de alta gama", dijo Simpson, jefe de departamento interino de la Escuela de Diseño de Ingeniería, Tecnología y Programas Profesionales y profesor Paul Morrow. en Ingeniería de Diseño y Manufactura.

Una gran parte del atractivo de la tecnología, agregó Simpson, es que permite un nivel de personalización que no es posible con la fabricación tradicional. Con la impresión 3D, Vortic puede crear accesorios de titanio personalizados para cada reloj único utilizando la misma máquina y realizando pedidos después de recibir el pago. Para Custer y un número creciente de otros, la impresión 3D ha reducido las barreras a la fabricación.

"Democratiza el espíritu empresarial, especialmente para las nuevas empresas basadas en hardware", dijo Simpson. "Los empresarios no tienen que invertir millones de dólares en máquinas y equipos. Pueden simplemente comprar un par de impresoras y empezar a hacer cosas".

"Desde el punto de vista de la capacidad, estamos entre las principales instituciones del mundo en fabricación aditiva".

Tim Simpson, profesor de Paul Morrow en diseño de ingeniería y fabricación

De hecho, por alrededor de $150, cualquiera puede salir de un Walmart con una impresora 3D capaz de crear una variedad cada vez mayor de herramientas, juguetes y otras baratijas. En los últimos años, sin embargo, la técnica se ha vuelto considerablemente más sofisticada; sus productos van más allá de las piezas hechas de plástico para incluir artículos de alta tecnología fabricados con metal, hormigón, arcilla e incluso biomateriales. Los investigadores de Penn State están a la vanguardia del campo que ahora se conoce como fabricación aditiva y trabajan para mejorar las capacidades de la impresión 3D con el objetivo de abordar problemas apremiantes en la salud humana, la vivienda y el transporte, entre otras áreas.

Un juego de pelota diferente

“Cualquiera puede comprar una impresora, aprender a colocar material en ella y darle a listo, pero diseñar piezas que realmente aprovechen la impresión 3D, para que sean mejores, más rápidas y más económicas que los componentes fabricados de forma tradicional, es otro juego de pelota”, dijo. Simpson. "Tienes que entender la economía, los materiales, el diseño, el proceso. Es un deporte de contacto; tienes que codearte y hablar con expertos en muchas otras disciplinas para realmente hacerlo bien".

La capacidad de los investigadores de Penn State para hacer precisamente eso, colaborar con colegas de todas las disciplinas para abordar cada componente de un problema y su solución, es una fortaleza de la Universidad, dijo Simpson. "Debido a esto", agregó, "desde el punto de vista de la capacidad, estamos entre las principales instituciones del mundo en fabricación aditiva y, como resultado, continuamos expandiéndonos a nuevas áreas".

El término fabricación aditiva, explicó Simpson, describe el uso de la impresión 3D para fabricar componentes funcionales en un entorno de fabricación. El proceso es "aditivo" porque produce un objeto construyéndolo una capa a la vez. "Piense en el agua que gotea del techo de una cueva y deposita capas delgadas de minerales para formar estalagmitas en el suelo de la cueva", dijo. Por el contrario, la fabricación sustractiva crea componentes mediante la eliminación de material hasta que se completa la pieza final. El proceso aditivo, por su naturaleza, es más flexible y mucho menos derrochador.

Los experimentos de fabricación aditiva de deposición de energía dirigida exploran el impacto del procesamiento de láser pulsado en la microestructura y las propiedades del material. Crédito: Jason Bolt, ARL, Penn State. Reservados todos los derechos.

El proceso comienza con un modelo 3D: una representación de diseño asistido por computadora (CAD) del objeto que especifica con precisión cuánto material (plástico, metal, arcilla o alguna otra sustancia) debe depositarse y dónde. A medida que la impresora 3D lee sus instrucciones, extruye un filamento de plástico desde una boquilla sobre la cama de impresión de la manera especificada o un láser funde polvo metálico capa por capa para formar una pieza. Después de completar la capa base, la impresora agrega capas adicionales hasta completar el artículo.

De esta forma, los usuarios pueden imprimir casi cualquier cosa que puedan imaginar. "Usamos la impresión 3D para fabricar piezas de automóviles y aviones, implantes de cadera y rodilla, lo que sea", dijo Simpson. "Hace varios años, hubo un episodio de 'Grey's Anatomy' en el que los médicos reconstruyeron la oreja de un paciente haciéndole crecer una nueva. Podemos hacerlo ahora. Esto realmente está sucediendo, y Penn State cuenta con algunos de los principales expertos en el campo de la Impresión 3d."

Impresión con biomateriales

Imagínate a ti mismo como un paciente en una máquina de resonancia magnética. Probablemente esté familiarizado con el concepto de permanecer inmóvil dentro de ese túnel cómodo mientras los escáneres giratorios producen imágenes de grano fino de sus tejidos y órganos internos. Ahora imagine que una máquina de este tipo pudiera reparar directamente estos tejidos depositando nuevas capas de músculo o piel, incluso creando e instalando nuevos órganos. Tal es el sueño de Ibrahim T. Ozbolat, profesor asociado de ciencias de la ingeniería y mecánica, ingeniería biomédica y neurocirugía. Ozbolat está utilizando la impresión 3D para crear una gama de materiales para su uso en la salud humana.

"Puedo imaginar un momento en el que un paciente pueda estar debajo de una bioimpresora y tener piel nueva impresa directamente sobre una herida", dijo. Ozbolat y su grupo de laboratorio ya han informado sobre el éxito en la impresión de huesos y tejidos blandos en los cráneos de ratas.

Miji Yeo, becaria postdoctoral que trabaja en el laboratorio de Ibrahim Ozbolat, bioimprime células vivas con microválvulas para la fabricación de tejido de la piel. Crédito: Patrick Mansell / Penn State. comunes creativos

"Reparar las lesiones en la piel y los huesos del cráneo es particularmente difícil dadas las muchas capas de diferentes tipos de tejidos involucrados", dijo. "Tratar de trabajar con estos dos materiales al mismo tiempo es un desafío aún mayor".

Actualmente, explicó, la reparación de lesiones de cráneo requiere el uso de piel y hueso de otra parte del cuerpo del paciente, lo que requiere una cirugía adicional, o de un cadáver, que corre el riesgo de rechazo por parte del sistema inmunológico del paciente. Para su estudio, Ozbolat y sus colegas crearon un material óseo imprimible usando una mezcla de colágeno; quitosano, un azúcar del esqueleto exterior de los mariscos; nano-hidroxiapatita, un componente del esmalte dental; y proteína morfogenética ósea-2, un factor de crecimiento aprobado por la FDA para la regeneración ósea. Para la piel, usaron colágeno y fibrinógeno, una proteína producida en el hígado que ayuda en la coagulación de la sangre.

Después de escanear con precisión el defecto del cráneo de la rata, explicó Ozbolat, la impresora 3D siguió el "modelo" 3D, extruyendo el material óseo sobre la herida, seguido de un material de barrera y luego el material de la piel. Todo el proceso tomó menos de cinco minutos. Después de reparar por separado el orificio de 6 milímetros de ancho en la piel y el orificio de 5 milímetros de ancho en el hueso, pasaron a reparar ambos durante el mismo procedimiento quirúrgico. "No existe un método quirúrgico para reparar los tejidos blandos y duros a la vez", señaló Ozbolat.

El siguiente paso, dijo, es agregar compuestos que puedan ayudar a facilitar la vascularización, ya que el flujo de sangre al hueso es especialmente importante para la curación. Él y su equipo ya están trabajando con neurocirujanos, cirujanos craneomaxilofaciales y cirujanos plásticos en el Centro Médico Penn State Hershey para traducir esta investigación a aplicaciones humanas.

Además de reparar la piel y los huesos, Ozbolat y su equipo utilizan la bioimpresión 3D para ayudar en el estudio del cáncer de mama. En un estudio reciente, el equipo generó modelos tumorales, llamados esferoides tumorales, para estudiar cómo la distancia de una célula tumoral a las células endoteliales cercanas (células que recubren las paredes de los vasos sanguíneos) y fibroblastos (células del tejido conectivo) influye en su capacidad de crecimiento. Descubrieron que cuanto más cerca está una célula tumoral de una célula endotelial o fibroblasto, más agresivamente es probable que se propague.

"En investigaciones como esta, es importante mantener la precisión en las variables que se están probando", dijo Madhuri Dey, candidato a doctorado en química. "En este proyecto, la impresión 3D nos permite ajustar con precisión la posición del tumor con respecto al vaso sanguíneo principal para que podamos observar los efectos de la distancia en el crecimiento del tumor. Usar un tumor natural introduciría demasiada variabilidad".

Impresión con hormigón

Si bien la impresión 3D de materiales biológicos tiene la capacidad de transformar la atención médica, la técnica también puede cambiar la forma en que diseñamos y construimos nuestras estructuras vivas, no solo en la Tierra, sino quizás incluso en el espacio.

Recientemente, José Duarte, Presidente Stuckeman en Innovación en Diseño, y Shadi Nazarian, profesora asociada de arquitectura, codirigieron un equipo interdisciplinario de estudiantes y profesores que obtuvo el segundo lugar en una competencia de la NASA. ¿La meta? Diseñar un sistema autónomo capaz de crear un refugio humano en Marte utilizando tecnología de impresión 3D. Con su entrada, el equipo logró construir la primera estructura del mundo totalmente impresa en 3D que incluye un techo construido en el lugar sin encofrado ni moldes, dijo Duarte.

“Los otros equipos imprimieron el techo por separado y luego lo levantaron a su posición, o bien usaron encofrado para evitar que se derrumbara durante la impresión”, agregó Duarte.

Duarte le dio crédito a Sven Bilén, profesor de diseño de ingeniería, tecnología y programas profesionales, por su contribución única al sistema de impresión. "Sven agregó una extensión ingeniosa al brazo robótico que le permitió llegar lo suficientemente lejos como para imprimir toda la estructura, aumentando así lo que llamamos 'libertad de diseño'", dijo Duarte.

Otro desafío de la competencia fue imprimir en 3D con un concreto especializado que pueda soportar condiciones ambientales extremas como una estructura terminada. Aleksandra Radlinska, profesora asociada de ingeniería civil, aportó al equipo su experiencia en el comportamiento del cemento y el hormigón. La impresión 3D con concreto puede ser complicada, explicó Radlinska, porque la mezcla debe ser lo suficientemente fluida para extruirse a través de una boquilla de impresión, pero luego lo suficientemente estable y fuerte para soportar capas adicionales. Cuando se hace bien, los investigadores han demostrado que la impresión 3D con hormigón puede dar como resultado estructuras que son tan fuertes como las construidas tradicionalmente, utilizando menos material.

"Puede construir una casa grande con una impresora pequeña, una habitación a la vez. Puede imprimir todo en el sitio".

José Duarte, Cátedra Stuckeman en Innovación en Diseño

Aunque la competencia del refugio de Marte se llevó a cabo completamente en la Tierra, el producto final del equipo podría construirse en el espacio. Sin embargo, el conocimiento obtenido se utilizará para crear aquí opciones de vivienda sostenibles y de bajo costo, simplificando y acelerando los procesos de construcción y ahorrando materiales, dijo Duarte. Él y sus colegas ya están desarrollando la tecnología para desplegar estructuras en áreas remotas de Alaska, donde las temperaturas extremas rivalizan con las de Marte.

Coordinado por Ali Memari, presidente de Bernard and Henrietta Hankin en construcción de edificios residenciales, y con la ayuda de Ming Xiao, profesor de ingeniería civil, y Nathan Brown, profesor de ingeniería arquitectónica, el equipo está diseñando un modelo impreso en 3D listo para Alaska. que incluye cimientos, paredes y techo.

"El modelo es esencialmente una habitación, y puedes combinar habitaciones para construir casas únicas con una variedad de configuraciones", dijo Duarte. "Al hacer esto, puede construir una casa grande con una impresora pequeña, una habitación a la vez. Puede imprimir todo en el sitio".

Impresión con arcilla

El profesor asistente de arte Tom Lauerman está utilizando la impresión 3D para construir estructuras de otro tipo. Aunque mucho más pequeños en escala que una casa, son igualmente intrigantes. Y el material que está usando, arcilla, se puede encontrar en su propio patio trasero.

"Como escultor, el medio con el que he trabajado durante muchos años es la cerámica, pero también siempre me ha interesado mucho la tecnología", dijo Lauerman. "Entonces, comencé a aprender programas de modelado 3D, como los que usaría un arquitecto o un diseñador industrial para diseñar cosas. Eso se debió en parte a que era una forma efectiva para mí de extraer ideas. Hacía estos modelos 3D básicamente como un plano por algo que luego iría y trataría de hacer a mano".

A medida que avanzaba la impresión 3D, Lauerman comenzó a utilizar la tecnología para fabricar moldes de plástico y, a partir de ellos, fundir objetos de cerámica. "Eso funcionó muy bien", dijo, "pero requería mucho tiempo y era engorroso".

'Escaleras' de Tom Lauerman, impreso en arcilla terracota. La superficie negra se crea usando una técnica antigua llamada 'terra sigillata' que se traduce como 'tierra sellada'. Crédito: Patrick Mansell/Penn State. comunes creativos

Fue cuando Lauerman buscó a Simpson para obtener asesoramiento técnico que nació la idea de imprimir en 3D directamente con arcilla. Debido a que no había impresoras estándar que se adaptaran a su propósito, Lauerman, por sugerencia de Simpson, fue a la fábrica de aprendizaje de la Facultad de ingeniería para trabajar con un equipo de estudiantes en la construcción de una.

Bernard M. Gordon Learning Factory es una instalación práctica para que los estudiantes de ingeniería la utilicen junto con el diseño final y otros cursos. Durante los últimos cinco años, Lauerman ha trabajado con estos estudiantes para diseñar y construir impresoras de arcilla 3D personalizadas.

"Los objetos que pudimos crear al principio eran realmente toscos; eran cosas diminutas, diminutas", dijo. Hoy, sin embargo, las creaciones de Lauerman son mucho más sofisticadas y planea mostrarlas en una exhibición formal el próximo año.

"La impresión 3D me permite experimentar con posibilidades casi ilimitadas", dijo. "Puedo hacer cosas con patrones repetitivos realmente intrincados que serían muy difíciles de hacer a mano, y si quiero hacer un pequeño ajuste, puedo hacerlo sin tener que pasar por el inmenso esfuerzo de reconstruir desde cero".

Impresión con metal

Si bien los materiales biológicos, el cemento y la arcilla están abriendo las puertas a posibilidades emocionantes a través de la impresión 3D, dijo Simpson, "lo que realmente ha sobrealimentado la fabricación aditiva en los últimos 10 años son los metales". La tecnología se ha desarrollado al punto de permitir fabricar piezas metálicas con curvas complejas o cavidades muy difíciles de lograr con procesos sustractivos, explicó. Los resultados ya comenzaron a impactar en la fabricación de automóviles y aviones, entre otras industrias.

El colega de Simpson, Edward "Ted" Reutzel, es uno de los más de una docena de investigadores del Laboratorio de Investigación Aplicada de Penn State que están avanzando en la impresión 3D de metal. Reutzel dirige el Centro para el Procesamiento de Materiales Innovadores a través de Deposición Digital Directa (CIMP-3D), una instalación de 8,000 pies cuadrados ubicada en Innovation Park cuyas capacidades y experiencia de vanguardia le permiten servir como Instalación de Demostración de Fabricación Aditiva para la Defensa Avanzada de EE. UU. Agencia de Proyectos de Investigación (DARPA). En los últimos 10 años, CIMP-3D recibió a más de 6000 visitantes, creó tres empresas emergentes, creó más de 30 nuevos puestos de trabajo en la región y apoyó el lanzamiento del primer programa de posgrado en diseño y fabricación aditiva del mundo, que ahora inscribe a más de 200 profesionales de la industria de más de 80 compañías diferentes.

Ted Reutzel y Allison Beese analizan especímenes de muestra de Ti-6Al-4V, una aleación de titanio ampliamente utilizada en la industria aeroespacial, que se fabrica en una máquina de fusión de lecho de polvo láser en el Centro de Procesamiento de Materiales Innovadores mediante Deposición Digital Directa (CIMP-3D) en Parque de Innovación. Crédito: Jason Bolt, ARL, Penn State. Reservados todos los derechos.

Al trabajar con la Marina de los EE. UU. en 2016, Reutzel dirigió un equipo que apoyó al Comando de Sistemas Aéreos Navales de los EE. UU. en el diseño y la construcción del primer componente crítico de vuelo impreso en 3D del mundo: un enlace de titanio que ayuda a asegurar el motor al marco de una Marina aviones de rotor basculante. En la actualidad, Reutzel y sus colegas de CIMP-3D se centran en la tecnología de fabricación aditiva, desde la investigación inicial hasta las aplicaciones para uso industrial, y en ayudar a desarrollar métodos para evaluar y mejorar de manera eficiente la calidad de las piezas de fabricación aditiva.

"La fabricación aditiva tiene el potencial de revolucionar la fabricación al proporcionar producción bajo demanda, disminuir los costos de materiales y fabricación, permitir diseños altamente flexibles para la producción y producir características y combinaciones de materiales que actualmente no son factibles", dijo Reutzel. Pero persisten los obstáculos, dijo: por un lado, la "falta de prácticas de control de calidad establecidas para las piezas construidas plantea un desafío para una adopción más amplia".

Como explicó Reutzel, el proceso de impresión 3D que permite la fabricación rápida de piezas complejas es en sí bastante complejo, y las pequeñas perturbaciones del proceso pueden correlacionarse con defectos del material, como huecos o porosidad, esencialmente agujeros en el material que son más pequeños que un cabello humano. Estos defectos pueden provocar grietas e inestabilidad, poniendo en peligro la durabilidad y la seguridad.

Reutzel y sus colegas, incluida Parisa Shokouhi, profesora asociada de ciencias de la ingeniería y mecánica, están investigando varios procesos para identificar dichos defectos, incluida la espectroscopia ultrasónica de resonancia no lineal, que puede predecir cuánto tiempo durará un objeto antes de fallar, y la tomografía computarizada de rayos X, que permite la visualización de fallas interiores dentro de objetos sólidos.

Allison Beese, profesora asociada de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería mecánica, también está trabajando en el control de calidad de los metales. Beese, quien dirige el Programa de Graduados de Diseño y Fabricación Aditiva de Penn State, enfoca gran parte de su investigación en materiales clasificados funcionalmente, que combinan materiales con diferentes atributos para lograr las propiedades deseadas.

"Es muy emocionante estar a la vanguardia de la revolución de los aditivos".

Tim Simpson, profesor de Paul Morrow en diseño de ingeniería y fabricación

Beese también examina las relaciones entre la temperatura, la microestructura y las propiedades mecánicas relacionadas con el proceso de impresión. En la fabricación aditiva de metales, por ejemplo, la materia prima que se introduce en la impresora suele estar en forma de polvo metálico o alambre. Estos materiales se funden con un láser o un haz de electrones y, a medida que se agrega cada capa del objeto deseado, se enfría, se solidifica y se fusiona con la capa inferior. Este proceso introduce ciclos rápidos de calentamiento y enfriamiento, lo que da como resultado microestructuras dentro del material que difieren drásticamente de las que se ven en sus contrapartes fundidas o forjadas. "Para usar metales de manera confiable en aplicaciones estructurales, sus propiedades mecánicas deben entenderse y ser predecibles", dijo Beese. "En última instancia, el trabajo de mi laboratorio puede ayudar a definir métricas para el control de calidad y la repetibilidad, y conducir al desarrollo de nuevos materiales".

Si bien la seguridad y la calidad son las principales prioridades, ya que cada vez más productos industriales y de consumo se fabrican de esta manera, la impresión 3D con múltiples materiales es otra área prometedora para futuras investigaciones. “Si queremos imprimir una casa, actualmente imprimimos el concreto, pero dejamos espacios para las ventanas”, explicó Simpson. "¿Podríamos simplemente cambiar a un polímero transparente durante el proceso de colocar el concreto para obtener una ventana?"

La naturaleza digital de la fabricación aditiva significa que 5G, la próxima generación de tecnología de red inalámbrica, creará nuevas oportunidades para el monitoreo y la operación remota, dice Simpson. "Nuestra esperanza es construir un banco de pruebas 5G en el campus que sirva como plataforma para desarrollar, implementar y probar nuevos protocolos para la fabricación aditiva y otras tecnologías de fabricación digital". Con 5G en marcha, dijo, "podemos abrir caminos completamente nuevos para la garantía y el control de calidad".

Desde los relojes personalizados que ya están disponibles hasta los órganos artificiales que se están probando para el futuro, la impresión 3D y la fabricación aditiva nos permiten producir productos tradicionales de manera más asequible y sostenible y crear productos completamente nuevos que pueden transformar la forma en que viajamos y construimos hogares. y gestionar nuestra salud. En Penn State, los investigadores están utilizando la tecnología de maneras novedosas y emocionantes que ya están impactando al mundo.

"Nuestros profesores y estudiantes están trabajando directamente con la industria para ayudar a resolver problemas del mundo real", dijo Simpson. "Es muy emocionante estar a la vanguardia de la revolución aditiva en Penn State, y nuestra capacidad de colaborar fortalece nuestro impacto mucho más allá de lo que cualquiera de nosotros podría hacer solo".

Esta historia apareció por primera vez en la edición de otoño de 2021 de la revista Research/Penn State.

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