El Instituto Gartner publica anualmente un análisis de tendencias y expectativas tecnológicas a nivel global. La impresión 3D está entre esas tecnologías para las que el Instituto Garter prevé un fuerte impulso en los próximos años. Global 3D Printing Report 2019 pronostica un crecimiento anual del mercado del 25% hasta 2023, con un valor que alcanza los 27.4 mil millones $ en todo el mundo. Además, y tal y como reflejan los últimos informes, empieza a sonar con fuerza la impresión 4D.
¿Qué es la impresión 4D?
Si la impresión 3D tiene el foco puesto en las técnicas de fabricación, la impresión 4D está enfocada a la funcionalidad de los materiales. La impresión 4D viene a dar a los productos capacidad de transformación otorgando a los materiales ciertas características para su adaptación acorde a las condiciones del entorno. La impresión 4D es en definitiva un paso más para dotar de “inteligencia” a los objetos. Podemos afirmar que con esta tecnología podremos programar los materiales para que doten al objeto de las funciones que deseamos.
La fabricación 4D podrá crear objetos cuyos materiales serán capaces de auto-repararse u objetos cuyos materiales reaccionan ante los cambios que se producen en la presión, la temperatura, la luz, los campos magnéticos u otros activadores. A diferencia de los objetos o sistemas cuyo funcionamiento se basa en actuadores sometidos a una excitación eléctrica, mecánica o de otra índole sin alterar su morfología, los nuevos materiales reaccionarán ante una excitación ambiental cambiando su morfología. Esta característica redundará en ahorros de elementos de cableado, sensores o actuadores, resultando en sistemas con diseños más sencillos, más fiables, de más fácil ensamblaje y simplicidad operativa. La clave de esta tecnología está en los materiales.
Para entender la potencialidad de esta tecnología podemos encontrar un ejemplo sencillo en las mangueras de riego que se extienden con la presión del agua. La manguera añade, a la función de conducción del agua, la capacidad de recogerse y minimizar su empacho. La combinación de un material flexible con la presión del agua resulta en un elemento con funciones añadidas.
Si la funcionalidad de los materiales es el futuro inmediato, podemos predecir que será la combinación e integración de materiales con distintas funcionalidades y fuentes de activación una de las nuevas vías de desarrollo tecnológico de la fabricación aditiva.
Podemos especular con objetos en los que los procesos de fabricación sean capaces de imprimir e integrar materiales inteligentes para combinar la captación de señales, su conducción y la actuación. El resultado dotará al conjunto de las características de un sistema con funcionalidades superiores fabricados con procesos más ágiles y simples.
Podríamos imaginar el ala de una avión no tripulado, diseñado y fabricado con esta tecnología para que, a las características de aerodinámica, resistencia y peso exigidas se unan las funciones de un flap. Este podría ser una extensión del ala impreso en materiales deformables, programados para que cambien su forma a partir de las señales que se envían por materiales conductores impresos e integrados en la propia ala. Todo podría redundar en un ahorro de materiales y equipos (sensores, cables, conductos, fluidos y actuadores) y de mano de obra, a la vez que contribuiría a aligerar y mejorar las prestaciones del conjunto.
El estado del arte de la tecnología 4D
Uno de los sectores en los que más proyección y crecimiento de la Impresión 4D se espera es el médico, y de modo más concreto el quirúrgico. La fabricación de implantes o prótesis con impresión 3D, que son una ya realidad, verán un crecimiento de la mano esta nueva técnica.
No son muchos los materiales válidos para aplicar esta tecnología. Entre los mismos podemos encontrar polímeros como los SMP (Shape Memory Polymers) o elastómeros como los (LCE) (Liquid Crystal Elastomer).
Las tecnologías de impresión 4D son similares a las 3D, añadiendo esa cuarta dimensión que puede implicar la impresión simultánea de dos materiales o la reconfiguración de la estructura interna por calentamiento y enfriamiento durante el proceso.
Automatización 4D
Parece inevitable adivinar que la impresión 4D puede revolucionar el mundo de la automatización. Las capacidades de transformación y adaptación de estos materiales encajan, además de en los dispositivos biomédicos ya comentados, en muchas aplicaciones, incluyendo la robótica soft o las estructuras transformables (Morphing Structures).
Los nuevos desarrollos en materiales integrando partículas magnéticas de matriz polimérica pueden proporcionar un fuerte impulso a esta tecnología. El calentamiento inductivo suaviza la matriz mientras las partículas con perfiles de magnetización reprogramables provocan el cambio de forma rápidamente y de modo reversible bajo campos magnéticos de accionamiento. Una vez enfriada, la forma alterada se puede bloquear. Por su parte, la variación de las cargas de partículas facilita un accionamiento secuencial.
Los actuadores de elastómeros dieléctricos son otra fuente de interés para funcionar en dispositivos robóticos, electrónicos, industriales o biomédicos. El Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha desarrollado una nueva familia de actuadores basados en una matriz elastomérica en la que se encuentra disperso un cristal líquido en forma de gotas. Estos actuadores responden de modo reversible y controlable ante un estímulo externo llegando en algunos casos a mejorar hasta 10 veces la capacidad de actuación con respecto a la matriz base. Estos actuadores mejoran a otros actuadores dieléctricos presentes en el mercado ya que, frente a la gran demanda de voltaje de estos últimos, los nuevos actuadores mejoran notablemente su capacidad de actuación a bajo voltaje.
Aún a pesar del limitado desarrollo de esta tecnología y la complejidad asociada al diseño y los materiales involucrados en la misma, la impresión 4D viene a quedarse en el sector industrial. Dotar a los materiales de inteligencia, como ocurre en tantos desarrollos tecnológicos, tendrá probablemente más problemas regulatorios que tecnológicos.
Ubaldo Dégano
Miembro Grupo Industria Conectada 4.0 ISA España
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