Los científicos desarrollan una nueva técnica para mejorar la calidad del 3D

27 de julio de 2023

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por TranSpread

Durante la última década, las tecnologías de impresión 3D han experimentado desarrollos y cambios sin precedentes. Ahora permiten la fabricación rápida de objetos tridimensionales a un coste muy competitivo. Esto hace que las impresoras 3D sean especialmente atractivas y pertinentes para diversos campos, incluida la industria aeroespacial o los dispositivos médicos.

Hasta hace poco, el paradigma de la impresión 3D basada en luz o la fabricación aditiva (AM) se basaba principalmente en el uso de una tina de resina de fotopolímero líquido. Un haz de luz ultravioleta (UV) cura la resina una capa a la vez, mientras que una plataforma mueve el objeto que se está fabricando hacia abajo después de que se endurece cada nueva capa.

La luz ultravioleta se escanea en forma de trama para solidificar la resina punto por punto o se proyecta sobre la resina curando toda la capa a la vez. Debido a la naturaleza capa por capa del proceso de impresión, estas técnicas de AM basadas en luz tienen importantes limitaciones geométricas y de rendimiento.

En un nuevo artículo publicado en Light: Advanced Manufacturing, un equipo de científicos dirigido por el profesor Christophe Moser de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ha desarrollado una nueva técnica para mejorar la calidad de los artículos impresos en 3D sin magnificar los patrones proyectados.

En los últimos años hemos visto el surgimiento de varias tecnologías de fabricación aditiva (VAM) totalmente volumétrica que se alejan del enfoque capa por capa.

La fotopolimerización de dos fotones representa el estado del arte de la impresión volumétrica con luz. Permite la fabricación de objetos a microescala con una resolución lateral de 100 nm y una resolución axial de 300 nm. Sin embargo, este proceso es lento, con una velocidad de impresión de sólo 1 a 20 mm3/h y requiere costosas fuentes láser de femtosegundos.

En última instancia, la resolución óptica de la impresora dicta el tamaño de vóxel impreso que se puede lograr. En DLP y VAM tomográfico, la resolución óptica está determinada, en el mejor de los casos, por las características del modulador utilizado para modelar la luz, es decir, el DMD.

El equipo de investigación utilizó un chip DLP7000 de Texas Instruments que tiene en su superficie Nx × Ny = 768 × 1.024 microespejos dispuestos en una matriz rectangular capaz de mostrar imágenes de 8 bits. La imagen DMD se amplía en un factor de 1,66 en el sistema óptico del equipo. El patrón resultante en el vial es de 1,74 cm × 2,33 cm con una resolución de 23 μm.

La única forma de aumentar el tamaño de los objetos impresos sin comprometer la resolución es mover el DMD del vial o viceversa. El equipo propuso mover la muestra alrededor del haz de luz con una trayectoria helicoidal. Demostraron que el tamaño imprimible lateral se podía duplicar sin comprometer la resolución descentrando el eje óptico con respecto al eje de rotación de la tina de fotoresina.

Juntos, estos dos trucos aumentan el número de bloques de construcción dentro del vial en un factor de hasta 12. Los vóxeles impresos disponibles se utilizan para imprimir objetos más grandes de hasta 3 cm × 3 cm × 5 cm en unos pocos minutos.

El equipo de investigación ha combinado etapas de traslación giratoria y lineal para colocar el vial de vidrio que contiene el fotoprotector en un movimiento helicoidal. Los investigadores señalaron que no toda la resina se ilumina a la vez como en el VAM tomográfico convencional. En VHAM, toda la resina se excita por completo sólo después de un ciclo completo.

Hay algunas regiones superpuestas entre los patrones de modo que después de un giro sus partes inferior y superior coinciden. El tamaño de la superposición se ajusta ajustando la velocidad de rotación del vial al movimiento vertical de la etapa de traslación, lo cual es esencial para garantizar la continuidad de los objetos impresos.

El equipo ha presentado una prueba de concepto de una nueva técnica basada en luz para la impresión volumétrica de objetos a escala multicentimétrica. Se basa en VAM tomográfico para aumentar significativamente la cantidad de vóxeles imprimibles mientras se mantiene el mismo dispositivo modulador de luz para la proyección y sin comprometer demasiado la resolución de impresión. Esto se logró descentrando el modulador de luz y trasladando continuamente la resina verticalmente a lo largo del haz de luz estampado.

Estas modificaciones simples se pueden realizar fácilmente en impresoras tomográficas existentes y abren nuevas posibilidades para la fabricación de alta resolución y alta velocidad de objetos cuyo tamaño sea de hasta 3 cm × 3 cm × 6 cm. Por lo tanto, el VAM tomográfico helicoidal podría resultar atractivo para aplicaciones en campos donde los objetos a escala de centímetros deben fabricarse individualmente, como en la industria dental, aunque la resolución debe mejorarse para cumplir con los requisitos actuales de la industria.

Más información: Antoine Boniface et al, Fabricación aditiva helicoidal volumétrica, Luz: fabricación avanzada (2023). DOI: 10.37188/lam.2023.012