Cómo alterará la impresión 4D nuestras actuales técnicas de fabricación?

En abril de 2013, Skylar Tibbits, fundador del Laboratorio de Autoensamblaje del MIT, ofreció una conferencia TEDx en la que introdujo un nuevo concepto en el proceso de impresión 3D. Por primera vez, introdujo una cuarta dimensión en esta tecnología que ya estaba trastocando muchos sectores. Explicó que la impresión 4D era como añadir una nueva característica a un material que se utilizaría para la impresión 3D, más concretamente era la capacidad del material de transformarse con el tiempo. De hecho, gracias a la impresión 4D, un material puede cambiar de forma por sí mismo, sin ninguna intervención humana, sino simplemente por la influencia de factores externos como la luz, el calor, la vibración, etc.

Desde entonces, la impresión 4D ha atraído el interés de muchas industrias que ven un gran potencial para personalizar dispositivos y estructuras. Según el Informe Gartner 2019, el interés por la impresión 4D es cada vez mayor. Para 2023, las startups centradas en esta tecnología deberían atraer 300 millones de dólares en capital riesgo. Así que, inevitablemente, ante esta observación, nos preguntamos cuál será el futuro de la impresión 4D. ¿Sustituirá a la fabricación aditiva para algunas aplicaciones? ¿Cuál será su impacto en la industria?

Este objeto impreso en 3D cambia gradualmente de forma debido a factores externos. En otras palabras, es un objeto impreso en 4D | Créditos: Self-Assembly Lab

¿Cómo funciona la impresión 4D?

La impresión 4D está fuertemente inspirada en el principio del autoensamblaje, que no es un concepto nuevo. Probablemente haya oído hablar del autoensamblaje molecular, en el que las moléculas forman estructuras complejas sin ninguna intervención humana. Un concepto ampliamente utilizado también en la nanotecnología, por ejemplo. La impresión 4D, por tanto, lleva este principio al siguiente nivel. Si es posible que pequeñas estructuras a escala microscópica se ensamblen y se muevan por sí solas, ¿por qué no imaginarlo en objetos impresos en 3D de mayor tamaño?

Mientras que la impresión en 3D produce objetos que mantienen su forma fija, la impresión en 4D cambiará su forma pero también su color, su tamaño, su forma de moverse, etc. Utiliza materiales conocidos como «inteligentes» en la industria, que han sido programados para cambiar de forma bajo la influencia de un factor externo, casi siempre la temperatura, al igual que cuando un ordenador obedece a un código. Este «código» se añade al material y proporciona instrucciones a la pieza impresa en 3D. Bastien E. Rapp, Presidente del Laboratorio de Tecnología de Procesos NeptunLab, explica: «La impresión 4D es la forma funcional de la impresión 3D. En lugar de imprimir sólo estructuras físicas, ahora podemos imprimir funciones. Es como incrustar un código en un material: una vez que se activa, hace lo que se ha programado».

Materiales y tecnologías de la impresión 4D

Los materiales de la impresión 4D no son tan variados como los de la fabricación aditiva porque la tecnología aún está en pañales, pero es importante señalar que existen diferentes. Empecemos por los polímeros con memoria de forma (SMP), que son materiales capaces de almacenar una forma macroscópica, conservarla durante cierto tiempo y volver a su forma original bajo el efecto del calor, sin ninguna deformación residual. Otros estímulos indirectos también pueden provocar la transformación: un campo magnético, un campo eléctrico o la inmersión en agua.

Otro material de impresión 4D son los elastómeros de cristal líquido (LCE) que, como su nombre indica, contienen cristales líquidos sensibles al calor. Al controlar su orientación, es posible programar la forma deseada. Bajo el efecto de la temperatura, el material se expandirá y transformará según el código dictado. El tercer material son los hidrogeles, se trata de cadenas de polímeros compuestas principalmente por agua, especialmente utilizadas en procesos de fotopolimerización. Son de gran interés para el sector médico por su biocompatibilidad.

Algunos procesos de impresión 4D utilizan multimateriales. Se trata principalmente de compuestos que se añaden a los SMP o a los hidrogeles, como las fibras de carbono o de madera. El Laboratorio de Autoensamblaje del MIT comenzó su investigación en impresión 4D a partir de una máquina Stratasys Connex, basada en el principio del jetting de materiales, un proceso multimaterial. Por supuesto, hay otros materiales de impresión 4D, como la cerámica, por ejemplo, pero hemos decidido centrarnos en los principales.

Créditos: Self-Assembly Lab

Por último, todo el proceso de impresión 4D reside en el material. Por lo tanto, es necesario comprender cómo reaccionará ante determinados estímulos. Bastien E. Rapp explica que «se requiere un muy buen conocimiento de los materiales para facilitar la impresión 4D». Una vez que esto está bien integrado, podemos utilizar diferentes tecnologías de impresión 3D: estereolitografía, chorro de material (para todos los multimateriales), fabricación de filamentos fundidos (trabajando con polímeros). Lo más frecuente es que la impresora 3D utilizada sea una máquina mejorada capaz de tener en cuenta la 4ª dimensión. Bastien E. Rapp continúa: «Dependiendo de la complejidad de la 4ª dimensión, puede ser tan fácil como imprimir dos materiales en paralelo. También puede implicar calentar o enfriar el material durante el proceso de fabricación. Hay muchos métodos, todos los cuales requieren condiciones específicas».

Aplicaciones de la impresión en 4D

Dado que es posible programar un material inteligente como se desee, puede parecer que las aplicaciones de la impresión en 4D son bastante amplias. Imagínese un objeto que pueda adoptar cualquier forma: la tecnología puede entonces repercutir en el sector de la construcción para construir estructuras adaptables a las condiciones climáticas, los bienes de consumo podrían ajustarse a las necesidades de las personas, o incluso en el sector médico, etc. Una de las primeras ideas de Skylar Tibbits fue utilizar la impresión 4D para fabricar tuberías inteligentes. Estas tuberías serían capaces de cambiar de forma en función del volumen de agua que contengan, pero también cuando se produjera cualquier fenómeno en el subsuelo. Esto evitaría tener que desenterrarlas y cambiarlas, un proceso largo y muy costoso.

Uno de los sectores más interesados en la impresión 4D es, sin duda, el médico. La impresión 4D podría permitir la creación de dispositivos a medida, inteligentes y escalables. Por ejemplo, al imprimir en 4D un implante, sería más fácil controlar su estado y viabilidad una vez integrado por el paciente. Lo mismo ocurre con toda la medicina regenerativa y la fabricación de estructuras celulares. La impresión 4D podría permitir que las células se adapten al cuerpo humano en función de su temperatura, por ejemplo. Chloé Devillard, que actualmente prepara su tesis en 3d.FAB, nos explica: «Trabajamos con la impresión 4D para aplicaciones en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa con el fin de reparar organismos vivos. En concreto, la utilizo para reproducir un vaso sanguíneo lo más parecido posible a la realidad en términos de fisiología, función y mecánica. Podemos crear construcciones lo más parecidas posible a los seres vivos»

3d.Fab trabaja actualmente en proyectos de impresión 4D para crear vasos sanguíneos | Créditos: 3d.Fab

Por último, imagina un medicamento impreso en 4D que pueda liberar su sustancia en función de la temperatura corporal del paciente. Es uno de los proyectos de investigación del doctor Fang en el MIT, explica: «Queremos utilizar la temperatura del cuerpo como desencadenante. Si logramos diseñar correctamente los polímeros, podríamos crear un dispositivo de administración de fármacos que solo los libere si se produce fiebre».

El sector del transporte en el sentido amplio del término también está interesado en la impresión 4D, ya sea en la industria automovilística o aeroespacial. En 2018 os hablamos del material inflable que había sido desarrollado por BMW y el MIT, canjeaba la forma y el tamaño bajo el efecto de pulsos de aire. Un material interesante para diseñar neumáticos del futuro, por ejemplo, capaces de autorrepararse en caso de pinchazo o de adaptarse a las condiciones climáticas más extremas. Más allá de los coches, también podemos hablar de los aviones. Un componente impreso en 4D podría reaccionar a la presión atmosférica o a los cambios de temperatura y, por tanto, cambiar de función: Airbus trabaja actualmente en esta cuestión. El gigante aeroespacial explica que estos componentes podrían sustituir a las bisagras, a los actuadores hidráulicos y así reducir considerablemente el peso de estos aparatos.

Imagina un taburete que se pliega y despliega solo | Créditos: Self-Assembly Lab

Por último, la impresión 4D es más que interesante para todas aquellas aplicaciones que requieran un alto grado de personalización ya que es posible programar el material según nuestras necesidades. A estas alturas el concepto puede parecer extraño, pero se podría imaginar ropa que adopte la forma real de nuestro cuerpo, muebles que se plieguen y desplieguen para ahorrar espacio, etc.

El futuro de la impresión 4D

Aunque llena de promesas, esta tecnología aún tiene muchas limitaciones: ¿cuál es la resistencia real de los materiales inteligentes con el paso del tiempo? Podrán seguir cumpliendo sus funciones a largo plazo? Muchas empresas aún están probando este proceso de fabricación y pocas han comunicado sus resultados. Bastien E. Rapp nos dijo que la impresión 4D implica una cierta cantidad de conocimientos muy técnicos, lo que hace más difícil democratizarla tanto como la fabricación aditiva. «Como se trata de un tema bastante complejo, que requiere un muy buen control de los materiales y de la fabricación, es posible que no llegue a ser tan ampliamente disponible y accesible como la propia impresión 3D. Pero, sin embargo, tendrá un impacto significativo en la industria.»

BMW ha impreso en 4D un material de silicona que puede inflarse solo: ¿es el futuro de la neumática?