Las impresoras 3D también pueden con la cerámica

Un nuevo proceso de impresión crea estructuras de cerámica 10 veces más resistentes que los materiales disponibles en el mercado

El patrón de panal seguido en la impresión añade un extra de resistencia al material cerámico. / HRL LABORATORIES, LLC

Con el calor suficiente, no hay material que se le resista a una impresora 3D. Primero fueron los plásticos y materias orgánicas blandas como el chocolate. Después le tocó el turno al acero y, más recientemente al vidrio. Pero la cerámica es otra cosa. No solo no se funde como los otros materiales, su proceso de fabricación exige una presión y temperaturas que la hacían inmune a los encantos de la impresión 3D. Sin embargo, un grupo de ingenieros ha encontrado la manera de usar una impresora comercial para conseguir estructuras cerámicas mucho más resistentes que las industriales.

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La cerámica, el gres, la porcelana o los azulejos son materiales a base de arcillas (silicatos de aluminio) cuyo método de fabricación básico se remonta al Neolítico. A escala industrial, mediante un procesado denominado sinterizado, la arcilla en polvo es sometida a prensado con miles de kilos de presión por centímetro cuadrado y cocción por encima de los 1500º. Una vez elaborada la pieza, solo materiales tan duros como el corindón o el diamante la pueden mecanizar, así que las piezas defectuosas suelen acabar en la basura.

En los años 60, el descubrimiento de polímeros (macromoléculas) de materiales cerámicos facilitó la fabricación de la cerámica pero no hasta el punto de que una impresora pueda con ella. Hay unas cuantas impresoras 3D que se han atrevido a trabajar con partículas cerámicas disueltas en resinas fotosensibles o polvos cerámicos fundibles, pero sus resultados son tan lentos de obtener, toscos, simples y frágiles que algunos pioneros como Shapeway desistieron de imprimir cerámica.

"Nuestro nuevo proceso de impresión 3D nos permite aprovechar todas las grandes propiedades de la cerámica, como si gran dureza, su resistencia, su alta refracción o su resistencia a la corrosión y la abrasión", dice Tobias Schaedler. Este científico de materiales y sus colegas de los Laboratorios HRL (EE UU) han encontrado la manera de sortear los problemas que plantea este material tan duro y frágil a la vez. "Hasta ahora, los elementos cerámicos eran muy difíciles de fabricar porque necesitan ser consolidados mediante el sinterizado de los polvos, lo que introduce el problema de la porosidad y limita tanto las formas a conseguir como la resistencia", comenta Schaedler.

Lo que ellos han hecho ha sido convertir materiales artificiales precursores de la cerámica como el siloxano o el silazano en resinas sensibles a la luz ultravioleta. Como con los modernos empastes, la resina se endurece al aplicarle luz. Los investigadores usaron una impresora 3D (una Form 1+ de Formlabs) para imprimir desde un sacacorchos hasta varias estructuras en forma de malla o panal. Para el primero, usaron una de las técnicas dominantes en la impresión 3D, la estereolitografía. Pero para las estructuras, recurrieron a un original sistema de guiado de la luz (SPPW) que iba endureciendo la resina siguiendo un patrón determinado.

"Usando la estereolitografía, se necesitan de cuatro a ocho horas para tener una estructura de cinco centímetros. Con nuestro proceso SPPW, podemos imprimir paneles de 2 cm de grosor en 60 segundos, pero la forma se limita a mallas, panales de abeja o estructuras similares", explica Schaedler.

El siguiente paso fue endurecer las impresiones mediante la cocción. Para ello usaron el procedimiento de pirólisis, horneando los materiales a 1.000º y en ausencia de oxígeno. Con ello consiguieron unas cerámicas, en particular las impresas con SPPW, de muy baja porosidad y una gran resistencia al corte y la presión. "Logramos una cerámica plenamente densa con una resistencia 10 veces mayor que la de las espumas cerámicas convencionales", asegura el científico de materiales.

El microscopio electrónico muestra la ausencia de poros en la malla
(arriba) y las marcas y fracturas en el sacacorchos. / ECKEL ET AL.

Sin embargo, la necesidad de la pirólisis aleja la impresión de cerámica del fenómeno de democratización que vive la impresión 3D, donde casi cualquiera puede imprimir ya casi cualquier cosa. "Para la pirólisis solo necesitas un horno que pueda alcanzar los 800º en una atmósfera inerte (argón o nitrógeno, no aire). Muchos artistas usan este tipo de hornos en sus estudios. Uno de esos cuesta entre 2.000 y 4.000 dólares y la impresora la compramos por unos 3.000. Así que creo que cualquiera puede hacerlo en su garaje", replica Schaedler.

En todo caso, los autores de este avance, publicado en la revista Science, dejan claro que se trata de un primer paso y que, como pasó con otros materiales, como el plástico o el acero, la impresión 3D de cerámica avanzará siguiendo sus pasos: cada vez más objetos, mayor calidad y menor coste. En el caso de las cerámicas, Schaedler, estima que aún faltan unos cinco años para que el proceso sea una realidad comercial. Para entonces, cree que no se tratará de imprimir un sacacorchos o unas cuantas baldosas para casa, sino para algo más sofisticado, "desde componentes de motores de reacción y vehículos hipersónicos a intrincadas partes de dispositivos de microelectrónica".

Fuente: http://elpais.com/elpais/2015/12/31/ciencia/1451556922_109596.html

Un robot diminuto capaz de volar y nadar

Ingenieros de la Universidad de Harvard han desarrollado un pequeño dispositivo robótico de menos de tres centímetros capaz de desplazarse a través del aire y del agua.

¿Se imagina un avión capaz de posarse sobre el agua y proseguir su viaje como un submarino? Aunque a escala reducida, esto es lo que han conseguido en la Universidad de Harvard al diseñar un pequeño robot que es capaz de volar y a continuación arrojarse al agua y continuar el viaje a nado. 

Poco a poco lo van consiguiendo. Tras efectuar su primer vuelo en 2012, la capacidad de nadar se aparta ligeramente de la idea original, pero no por ello deja de ser sorprendente. Según los autores, la principal dificultad ha consistido en superar las barreras de diseño de un aparato que sea capaz de moverse tanto en el agua como en el aire. Para volar, son necesarias alas grandes que generen sustentación, mientras que bajo el agua estas mismas causan rozamiento que se opone al movimiento.La robobee (o roboabeja), como la llaman sus creadores, es el fruto del esfuerzo de un grupo de investigadores de la Universidad de Harvard (EE UU) durante algo más de una década. Querían crear un robot capaz de emular la capacidad de las abejas para volar con precisión, transportar cargas relativamente pesadas y coordinarse con otros individuos en un enjambre. Todo, en un tamaño menor al de un clip de papel y con un peso de menos de 100 miligramos.

“Tras varios estudios teóricos, computacionales y experimentales, nos dimos cuenta de que la mecánica de la propulsión mediante alas es muy parecida tanto en el agua como en el aire”, ha explicado Kevin Chen, autor principal del artículo y estudiante en el Laboratorio de Microrrobótica de Harvard, que se ha inspirado para su trabajo en los frailecillos, unas aves capaces de volar y de bucear para capturar presas bajo el agua. “En ambos casos el ala se mueve adelante y atrás. La única diferencia es la velocidad a la que se mueve”. Chen y sus colaboradores han presentado sus logros en la Conferencia Internacional de Robots y Sistemas Inteligentes, celebrada recientemente en Alemania.

En su estado actual, la roboabejapesa tan solo 80 miligramos y consta de un cuerpo de fibra de carbono en el que se montan los sistemas de control y propulsión. De momento, tanto la energía como las instrucciones de vuelo se le suministran desde una fuente de alimentación y un ordenador externos aunque Chen afirma: “Estamos trabajando en un robot a una escala un poco mayor que sea capaz de transportar su propia batería y sensores. Esperamos que pese unos 250 miligramos y que sea capaz de volar de forma autónoma dentro de un año”. La abeja vuela gracias a dos alas extremadamente delgadas capaces de batir hasta 120 veces por segundo, que resultan invisibles al ojo humano y que se mueven gracias a unos actuadores piezoeléctricos (tiras de cerámica que se contraen o expanden cuando reciben una corriente eléctrica) unidas a unas bisagras de plástico integradas en el cuerpo.

La versión acuática es exactamente la misma que la versión aérea. “La única modificación es que hemos aislado las conexiones eléctricas usando pegamento”. Una vez en el agua, la abeja cambia la velocidad de aleteo de 120 veces por segundo a tan solo nueve. Para cambiar de dirección ajusta el ángulo con el que se mueve el ala, de la misma manera que lo hace cuando está en el aire. Para asegurarse de que no se produzca un cortocircuito, en el ensayo se ha utilizado agua desionizada que no conduce la electricidad.

Eso sí, una vez en el agua la abeja puede nadar, pero no puede volver a despegar porque no es capaz de generar el impulso suficiente. Según Chen, resolver este problema es la siguiente fase del proyecto.

¿Para qué sirve una abeja robot?

El desarrollo de la roboabeja no solo ha servido para estimular el desarrollo tecnológico, sino que sus creadores prevén una multitud de aplicaciones para su criatura. Entre ellas destacan funciones de monitorización medioambiental, misiones de búsqueda en el caso de catástrofes naturales como tsunamis o terremotos, o labores de vigilancia. También, una vez que logren una mejor capacidad de orientación y un vuelo más preciso, contemplan su uso para asistir en la polinización de cultivos.

En cualquier caso, no se trata de para qué puede servir una única roboabeja trabajando sola. Teniendo en cuenta que actualmente el coste en materiales de cada uno de estos pequeños robots es tan solo de unos 10 dólares, será posible crear enjambres de estos dispositivos trabajando de manera coordinada. De este modo serán capaces de realizar sus funciones mucho mejor y más económicamente que utilizando aparatos más costosos en menores cantidades.

China produce la primera bio-impresora 3D para vasos sanguíneos del mundo

La impresión 3D está ganando terreno cada vez en más industrias, desde la producción de chocolates hasta la construcción de casas. Los científicos de la provincia de Sichuan, en el suroeste de China han anunciado que han completado una misión aún más difícil.

Los órganos artificiales pueden por fin obtener un suministro de sangre. Esta impresora 3D, la primera de su tipo, ha sido inventada por una empresa de biotecnología en la capital de la provincia de Sichuan, Chengdu. El avance, según los científicos, es darse cuanta de la regeneración de los vasos sanguíneos. Su estructura de bio-tinta transporta nutrientes y células madre por los tubos. 

"Contiene células madre, con un ambiente especial que creamos para ellas. Así las células podrían dividirse en las que nosotros necesitemos. Se pueden imprimir múltiples capas de células y cada capa tiene diferentes células que podemos controlar", dijo Kang Yujian, jefe científico de Sichuan Revotek Co. Ltd.

Para mantener vivas las células, el entorno y la temperatura están regulados durante el proceso de impresión. 

"Su importancia radica en que hemos resuelto el problema de los nutrientes que suministran y otros materiales activos. El método también se aplica a la impresión de riñones e hígado", dijo Dai Kerong, miembro de la Academia China de Ingeniería. 

El potencial es enorme según la comunidad científica ya que hace que estemos un paso más cerca de el trasplante de órganos artificiales. 

El requerimiento y la demanda de este tipo de tecnología es totalmente real. En China, 300,000 pacientes tienen urgente necesidad de trasplantes de órganos y solo el tres por ciento reciben una donación. 

http://english.cntv.cn/2015/10/27/VIDE1445894642180889.shtml