ESA y Zortrax realizan impresión 4D para el espacio

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Rompiendo barreras y redefiniendo el futuro, el fabricante polaco de impresoras 3D Zortrax ha sido pionero en el desarrollo de tecnologías de impresión 4D después de un proyecto de un año con la Agencia Espacial Europea (ESA) para avanzar en la exploración espacial.

Al aprovechar el poder de la impresora 3D dual M300 de Zortrax y una versión personalizada de Z-SUITE, su software de impresión 3D patentado, el equipo de investigación y desarrollo de Zortrax creó estructuras 3D complejas. Estos diseños de vanguardia se construyeron utilizando polímeros con memoria de forma y materiales eléctricamente conductores, que actúan como actuadores y calentadores sensibles, respectivamente.

La colaboración de estos materiales produjo demostradores de tecnología capaces de exhibir tres tipos de movimientos: flexión, torsión y despliegue. Sorprendentemente, cada movimiento se puede activar presionando un botón. Con la conclusión exitosa de este ambicioso proyecto, Zortrax ahora se encuentra en el umbral de proyectos avanzados con un potencial de financiación sustancial, preparados para impulsar el desarrollo de esta tecnología y llevar la impresión 4D activada eléctricamente al ámbito de las misiones espaciales.

Mediante el uso de su tecnología de impresión 3D de extrusión dual con materiales avanzados, el proceso puede construir mecanismos confiables y livianos. Además, estos mecanismos funcionan independientemente de actuadores, motores o circuitos de control separados, lo que marca un importante paso adelante para otros sectores de alta tecnología, como la aviación, la producción de energía y la defensa.

Profundizar en el mundo de la impresión 4D descubre la intrigante cuarta dimensión: el tiempo. Con el tiempo como variable adicional, los objetos impresos pueden adaptar su geometría y otras propiedades en respuesta a diversos estímulos, como la temperatura, la humedad o una corriente eléctrica, de forma muy similar a como se despliega una estructura de origami cuando se calienta.

El concepto comenzó a ganar fuerza alrededor de 2013 cuando Skylar Tibbits, codirector del Laboratorio de Autoensamblaje del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), comenzó a discutir y promover el concepto en varias conferencias de tecnología. Como resultado, a Tibbits a menudo se le atribuye haber acuñado el término "impresión 4D".

Según Michał Siemaszko, jefe de I+D de Zortrax, "la impresión 4D generó mucho interés en la industria espacial porque, en teoría, la tecnología podría permitir a los ingenieros y diseñadores de misiones reducir el peso de las estructuras desplegables como antenas, brazos o varias sensores. El peso de tales estructuras hechas tradicionalmente es siempre una suma de la estructura en sí y el mecanismo para desplegarlo. Pero si fuera posible deshacerse de los mecanismos de despliegue por completo, podrían hacerse aún más ligeros y pequeños".

Demostrador desplegable activado eléctricamente fabricado con tecnología de impresión 4D. Imagen cortesía de Zortrax.

Aunque la promesa de la impresión 4D es innegable, no está exenta de obstáculos. Por ejemplo, la tecnología exige materiales "inteligentes" adecuados que puedan transformar de forma fiable su forma o sus propiedades a lo largo del tiempo en respuesta a estímulos específicos. Además, controlar el entorno para desencadenar estos cambios, particularmente en las duras condiciones del espacio, presenta un desafío único. Sin embargo, gracias a la financiación de la ESA, Zortrax trabajó en un concepto para resolver estos problemas.

"El estímulo más utilizado para la activación de los mecanismos impresos en 4D es la temperatura. Mirando las aplicaciones espaciales, la amplitud del cambio de temperatura puede ser muy grande e incluso si se puede usar como disparador para la activación del cambio de forma, puede ser difícil de control de manera gradual. Por lo tanto, en los sistemas espaciales, es más fácil controlar la entrada eléctrica", dice Ugo Lafont, ingeniero de física y química de materiales de la ESA. "La idea detrás de este proyecto era aprovechar la capacidad de cambio de forma inducida térmicamente pero utilizando una activación más controlada a través del calor generado por la corriente eléctrica. Dichos conceptos están bajo evaluación debido a su potencial para disminuir la cantidad de piezas en sistemas complejos mientras mantienen su capacidad para proporcionar movimiento y actuación controlados bajo demanda".

El viaje para crear mecanismos impresos en 4D gira en torno a tres componentes vitales, explicó el equipo de Zortrax: los materiales correctos, un software capaz y una impresora 3D competente. Zortrax estuvo a la altura del desafío al desarrollar un filamento con memoria de forma personalizado con una impresionante temperatura de transición vítrea de 75 ℃, un 50 % más alta que cualquier otro producto disponible. Después de pruebas exhaustivas, este material demostró ser ideal para sistemas de impresión 4D pioneros.

Al buscar la impresión 4D, el equipo de Zortrax reconoció la necesidad de filamentos conductores de electricidad. Estos filamentos serían calentadores activados eléctricamente, desencadenando el efecto de memoria de forma. El proceso de selección resultó sencillo ya que varios filamentos fácilmente disponibles cumplían con las especificaciones necesarias. Después de una fase de prueba integral que evaluó las propiedades térmicas y eléctricas, Fiberforce Nylforce Conductive surgió como el filamento elegido para calentar el polímero con memoria de forma en los mecanismos impresos en 4D.

Después de la selección del material, el equipo centró su atención en el proceso de impresión. El objetivo era utilizar la impresión 3D bimaterial, un método que permite la creación de piezas a partir de dos materiales distintos. Lograr esto requirió combinar una versión experimental del software Z-SUITE, desarrollado inicialmente para ESA, y las capacidades de extrusión dual de la impresora 3D M300 Dual. Además, esta impresora presenta de manera única dos cabezales de impresión operativos, lo que facilita el proceso bimaterial.

Como parte de su obligación contractual con la ESA, Zortrax también diseñó tres demostradores distintivos de impresión 4D. Cada uno de estos mostró un tipo diferente de movimiento activado eléctricamente: flexión, torsión y despliegue, lo que subraya la impresionante versatilidad de la impresión 4D.

Demostrador de movimiento rotatorio activado hecho con tecnología de impresión 4D. Imagen cortesía de Zortrax.

Como contratista principal de la ESA, Zortrax ha estado trabajando en otros proyectos de impresión 3D con la agencia más allá de su innovador proyecto de impresión 4D. Por ejemplo, con su impresora 3D M200, Zortrax 3D imprimió una antena satelital en 2018 para probar el rendimiento del sistema de comunicaciones satelitales. Un año después, los dos se asociaron para desarrollar tecnología de impresión 3D para la exploración espacial a fin de producir piezas para naves espaciales y satélites en el espacio.

Otro de los proyectos incluyó avances en la impresora 3D industrial Endureal para la producción de piezas compuestas de alto rendimiento. Más recientemente, Zortrax certificó su filamento Z-PEEK de alta temperatura, compatible con Zortrax Endureal, que se ha unido a los pocos polímeros aptos para su uso en el espacio. Esto significa que las piezas impresas en 3D con Z-PEEK en la impresora 3D Zortrax Endureal se pueden lanzar en misiones espaciales, siempre que también se cumplan otros requisitos específicos de la aplicación. Con estas iniciativas innovadoras, Zortrax continúa consolidando su presencia en el sector aeroespacial, impulsando el progreso y estableciendo nuevos estándares en la industria.

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