Impresión 3D electrohidrodinámica ultrarrápida con resolución submicrométrica

Ievgenii Liashenko

Rosell Llompart, Joan Cabot Codina, Andreu

Las tecnologías de fabricación aditiva (FA) basadas en la deposición capa a capa del material expulsado desde una boquilla ofrecen una versatilidad inigualable, pero presentan limitaciones en cuanto a velocidad y resolución de impresión. La inyección electrohidrodinámica (EHD) permite generar chorros submicrométricos que pueden alcanzar velocidades superiores a 1 m/s. Sin embargo, estos chorros no pueden depositarse sobre un sustrato en movimiento con precisión submicrométrica, ni siquiera con etapas mecánicas de última generación, que se limitan a aceleraciones inferiores a ~30 m/s². En este estudio, demostramos un nuevo enfoque de impresión en el que la trayectoria del chorro EHD puede ajustarse continuamente con aceleraciones laterales de hasta 10 6 m/s² mediante el control de voltajes aplicados a electrodos ubicados alrededor del chorro. Mediante imágenes de alta velocidad, hemos realizado un análisis paramétrico de cómo los parámetros de la señal de deflexión y las configuraciones de configuración influyen en la deflexión del chorro. Se ha desarrollado un software a medida para generar señales de deflexión del chorro que controlan la impresión de patrones 2D, así como de objetos 3D con características submicrométricas. Estos objetos 3D se han impreso apilando nanofibras a frecuencias capa por capa de hasta 2000 Hz. Las altas velocidades de chorro y las frecuencias capa por capa alcanzadas se traducen en velocidades de impresión de hasta 0,5 m/s en el plano y 0,4 mm/s en la dirección vertical, lo que supone entre tres y cuatro órdenes de magnitud más rápido que otras técnicas de fabricación aditiva (FA) que ofrecen tamaños de características equivalentes. También hemos utilizado la deflexión electrostática del chorro para desarrollar un novedoso método para determinar la velocidad de los chorros EHD. A diferencia de todos los enfoques anteriores, que se basan en el análisis microscópico de alta resolución ex situ de la fibra impresa, nuestro método se basa en el reconocimiento de imágenes de patrones impresos predefinidos, lo que permite la monitorización in situ de la velocidad del chorro. Finalmente, en un estudio adicional sobre la impresión por etapas de chorros EHD lentos de polímeros fundidos, demostramos que actualizar la trayectoria de impresión para cada capa depositada permite ampliar significativamente la gama de estructuras imprimibles y, por lo tanto, manipular sus propiedades mecánicas.

La impresión 3D será una fuerza altamente disruptiva dentro de la industria manufacturera global. El mercado global de impresión 3D actualmente supera los 5 mil millones de euros y se prevé que supere los 20 mil millones para 2025. Con su velocidad y resolución de impresión sin precedentes, nuestra tecnología está idealmente posicionada para la fabricación de objetos muy pequeños, como los que se utilizan frecuentemente en las industrias de microelectrónica y biotecnología. 3.1. Nuestra visión es fabricar una impresora 3D comercial a escala de escritorio basada en nuestra tecnología de deflexión de chorro para validarla y demostrarla en aplicaciones relevantes. Paralelamente, desarrollaremos tintas adicionales para demostrar la versatilidad de la tecnología y desarrollarla hacia aplicaciones específicas. Prevemos que tardaremos de 2 a 3 años en tener nuestro primer producto en el mercado, probablemente dirigido a instituciones de investigación para fines de I+D. Nuestro objetivo será entrar en mercados con alto volumen y alto potencial de margen. 3.2. Los principales objetivos para la comercialización son (1) el diseño, la fabricación y la validación de un prototipo de impresora compacta, (2) la creación de una empresa derivada para comercializar la tecnología, y (3) la identificación y consolidación de socios, clientes y fuentes de financiación adicionales. Para lograr estos objetivos generales, hemos diseñado un plan de trabajo dividido en 11 paquetes de trabajo (PT) que incluyen 5 PT tecnológicos dedicados a la fabricación y validación del prototipo y al desarrollo de tintas y aplicaciones, y 6 PT de explotación centrados en la identificación activa de socios, clientes y usuarios finales, la promoción de nuestra tecnología por diferentes medios, y el desarrollo de un plan de negocio y la creación de la empresa derivada. 3.3. Definición del producto/servicio. Basándonos en nuestra tecnología disruptiva de impresión 3D, se pueden lanzar al mercado varios productos y servicios (con sus correspondientes fuentes de ingresos potenciales): • El más obvio es una impresora 3D ultrarrápida y de alta resolución a escala de escritorio. • Un producto relacionado son las tintas de una amplia gama de materiales adaptadas a esta impresora. • Un posible modelo de negocio complementario es el alquiler de las impresoras. • Otra opción es la comercialización de los productos impresos (impresión como servicio). • Licenciamiento de la tecnología para aplicaciones específicas (basado en nuestras dos patentes que la protegen). 3.4. Posible estrategia de salida del negocio. En algún momento, la tecnología desarrollada también podría venderse a una gran empresa que ya opera en el sector de la fabricación aditiva, ya sea desarrolladora de sistemas o proveedora de servicios de fabricación aditiva para diversas aplicaciones, como: Voxeljet AG, Materialise NV, Stratasys, ExOne, 3D Systems, Hewlett-Packard Inc., Nano Dimension, Organovo, etc.

Additive Manufacturing (AM) Technologies; Layer-by-Layer Deposition; Nozzle Ejection; Printing Speed; Resolution; Electrohydrodynamic (EHD) Jetting; Submicrometer Jets; High Speeds; Moving Substrate; Submicron Accuracy; Mechanical Stages; Jet Trajectory Adjustment; Lateral Accelerations; Controlling Voltages; Electrodes; High-Speed Imaging; Parametric Analysis; Deflection Signal Parameters; Setup Configurations; Jet Deflection; Custom-Made Software; 2D Patterns; 3D Objects; Submicrometer Features; Stacking Nanofibers; Layer-by-Layer Frequencies; Printing Speeds; In-plane Printing; Vertical Direction; Feature Sizes; Electrostatic Jet Deflection; Novel Method; EHD Jet Speed Determination; Ex-situ High-Resolution Microscopy; Printed Fiber Analysis; Image Recognition; Predefined Printed Patterns; In-situ Monitoring; Stage-Based Printing; Slow EHD Jets; Polymer Melts; Printing Path Update; Printable Structures; Mechanical Properties Manipulation.