Una innovación desarrollada en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) está cerrando la brecha entre el diseño digital y la realidad física en la impresión 3D, prometiendo revolucionar industrias desde la aeroespacial hasta la medicina.
El problema que nadie veía venir
Las personas recurren cada vez más al software para diseñar estructuras de materiales complejas como alas de avión e implantes médicos. Sin embargo, mientras los modelos de diseño se vuelven más sofisticados, nuestras técnicas de fabricación no han logrado mantener el ritmo. Incluso las impresoras 3D luchan por producir de manera confiable los diseños precisos creados por algoritmos, lo que ha llevado a una desconexión entre cómo se espera que funcione un material y cómo realmente opera.
Josephine Carstensen, profesora asociada Gilbert W. Winslow de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, explica el alcance del problema: «Si no tienes en cuenta estas limitaciones, las impresoras pueden depositar material en exceso o en defecto considerablemente, por lo que tu pieza se vuelve más pesada o más ligera de lo previsto. También puede sobrestimar o subestimar significativamente el rendimiento del material».
La solución que cambia las reglas del juego
Los investigadores del MIT han creado una forma para que los modelos tengan en cuenta las limitaciones de la impresión 3D durante el proceso de diseño. En experimentos, demostraron que su enfoque podría usarse para fabricar materiales que funcionan mucho más cerca de la forma en que están destinados a operar.
«Con nuestra técnica, sabes lo que obtienes en términos de rendimiento porque el modelo numérico y los resultados experimentales se alinean muy bien», afirma Carstensen.
El enfoque se describe en la revista Materials and Design, en un paper de acceso abierto coautorado por Carstensen y la estudiante de doctorado Hajin Kim-Tackowiak.
Emparejando la teoría con la realidad
Durante la última década, las nuevas tecnologías de diseño y fabricación han transformado la manera en que se hacen las cosas, especialmente en industrias como la aeroespacial, automotriz e ingeniería biomédica, donde los materiales deben alcanzar relaciones peso-resistencia precisas y otros umbrales de rendimiento. En particular, la impresión 3D permite que los materiales se fabriquen con estructuras internas más complejas.
«Los procesos de impresión 3D generalmente nos dan más flexibilidad porque no tenemos que crear formas o moldes para cosas que se harían mediante medios más tradicionales como el moldeo por inyección», explica Kim-Tackowiak.
La optimización topológica: una técnica poderosa con limitaciones
Una de las técnicas de diseño computacional más avanzadas se conoce como optimización topológica. Esta ha sido utilizada para generar estructuras de materiales nuevas y a menudo sorprendentes que pueden superar los diseños convencionales, en algunos casos acercándose a los límites teóricos de ciertos umbrales de rendimiento.
Sin embargo, la optimización topológica a menudo crea diseños a escalas extremadamente finas que las impresoras 3D han luchado por reproducir de manera confiable. El problema radica en el tamaño del cabezal de impresión que extruye el material.
Otro problema tiene que ver con la forma en que las impresoras 3D crean piezas: un cabezal de impresión extruye un hilo delgado de material mientras se desliza por el área de impresión, construyendo gradualmente las piezas capa por capa. Esto puede causar una unión débil entre capas, haciendo que la pieza sea más propensa a la separación o falla.
Una solución integral e innovadora
Los investigadores desarrollaron un enfoque que permite a los usuarios agregar variables a los algoritmos de diseño que tienen en cuenta el centro del hilo que se extruye desde un cabezal de impresión y la ubicación exacta de la región de unión más débil entre capas. El enfoque también dicta automáticamente la trayectoria que debe seguir el cabezal de impresión durante la producción.
«Pensamos: ‘Conocemos estas limitaciones desde el principio, y el campo ha mejorado en cuantificar estas limitaciones, así que podríamos diseñar desde el inicio con eso en mente'», dice Kim-Tackowiak.
Resultados que hablan por sí solos
Los investigadores usaron su técnica para crear una serie de diseños 2D repetitivos con varios tamaños de poros huecos, o densidades. Los compararon con materiales hechos usando diseños de optimización topológica tradicionales de las mismas densidades.
En las pruebas, los materiales diseñados tradicionalmente se desviaron más de su rendimiento mecánico previsto que los materiales diseñados usando la nueva técnica de los investigadores en densidades de material por debajo del 70 por ciento. Los investigadores también encontraron que los diseños convencionales consistentemente sobre-depositaron material durante la fabricación.
Escalando un nuevo enfoque de diseño
Los investigadores creen que esta es la primera vez que una técnica de diseño ha tenido en cuenta tanto el tamaño del cabezal de impresión como la unión débil entre capas.
«Cuando diseñas algo, deberías usar tanto contexto como sea posible», dice Kim-Tackowiak. «Fue gratificante ver que poner más contexto en el proceso de diseño hace que tus materiales finales sean más precisos. Significa que hay menos sorpresas».
El futuro de la fabricación inteligente
En trabajos futuros, los investigadores esperan mejorar su método para densidades de material más altas y para diferentes tipos de materiales como cemento y cerámicas. Aún así, dijeron que su enfoque ofrecía una mejora sobre las técnicas existentes, que a menudo requieren especialistas experimentados en impresión 3D.
«Fue genial ver que simplemente poniendo el tamaño de tu deposición y los valores de propiedad de unión, obtienes diseños que habrían requerido la consulta de alguien que ha trabajado en el espacio durante años», dice Kim-Tackowiak.
Abriendo nuevas posibilidades
Los investigadores dicen que el trabajo abre el camino para diseñar con más materiales.
«Nos gustaría ver que esto permita el uso de materiales que la gente ha descartado porque imprimir con ellos ha llevado a problemas», dice Kim-Tackowiak. «Ahora podemos aprovechar esas propiedades o trabajar con esas peculiaridades en lugar de simplemente no usar todas las opciones de materiales que tenemos a nuestra disposición».
Esto supone un paso crucial hacia la democratización del diseño avanzado de materiales, eliminando barreras técnicas que antes requerían años de experiencia especializada. Con implicaciones que van desde la fabricación de componentes aeroespaciales más ligeros y resistentes hasta implantes médicos más precisos, esta técnica podría redefinir lo que es posible en el mundo de la fabricación digital.
 está cerrando la brecha entre el diseño digital y la realidad física en la impresión 3D, prometiendo revolucionar industrias desde la aeroespacial hasta la medicina.){kind=link}