Robocasting (también conocido como extrusión robótica de material [1] ) es una técnica de fabricación aditiva análoga a la escritura directa con tinta y otras técnicas de impresión 3D basadas en extrusión en las que un filamento de un material pastoso se extruye desde una pequeña boquilla mientras la boquilla se mueve a través de una plataforma. [2] El objeto se construye imprimiendo la forma requerida capa por capa. La técnica se desarrolló por primera vez en los Estados Unidos en 1996 como un método para permitir la producción de cuerpos verdes cerámicos geométricamente complejos mediante fabricación aditiva. [3] En robocasting, un modelo CAD 3D se divide en capas de manera similar a otras técnicas de fabricación aditiva. Luego, el material (normalmente una suspensión cerámica) se extruye a través de una pequeña boquilla mientras se controla la posición de la boquilla, dibujando la forma de cada capa del modelo CAD. El material sale de la boquilla en estado líquido pero conserva su forma inmediatamente, aprovechando la propiedad reológica de adelgazamiento por cizallamiento . Se diferencia del modelado por deposición fundida ya que no depende de la solidificación o el secado para conservar su forma después de la extrusión.
El robocasting comienza con un proceso de software. Un método es importar un archivo STL y cortar esa forma en capas de espesor similar al diámetro de la boquilla. La pieza se produce extruyendo un filamento continuo de material en la forma requerida para llenar la primera capa. A continuación, se mueve la plataforma hacia abajo o se mueve la boquilla hacia arriba y se deposita la siguiente capa en el patrón requerido. Esto se repite hasta que se completa la parte 3D. Generalmente se utilizan mecanismos controlados numéricamente para mover la boquilla en una trayectoria de herramienta calculada generada por un paquete de software de fabricación asistida por computadora (CAM). Generalmente se emplean motores paso a paso o servomotores para mover la boquilla con una precisión tan fina como nanómetros. [4]
La pieza suele ser muy frágil y blanda en este punto. Generalmente siguen el secado, el desaglomerado y la sinterización para darle a la pieza las propiedades mecánicas deseadas.
Dependiendo de la composición del material, la velocidad de impresión y el entorno de impresión, el robocasting normalmente puede lidiar con voladizos moderados y grandes regiones que abarcan muchas veces el diámetro del filamento en longitud, donde la estructura no está soportada desde abajo. [5] Esto permite imprimir con facilidad intrincados andamios 3D periódicos, una capacidad que no poseen otras técnicas de fabricación aditiva. Estas piezas se han mostrado muy prometedoras en los campos de los cristales fotónicos , los trasplantes de huesos, los soportes de catalizadores y los filtros. Además, las estructuras de soporte también se pueden imprimir a partir de un "material fugitivo" que se retira fácilmente. Esto permite imprimir casi cualquier forma en cualquier orientación.
Una ventaja clave de la técnica de fabricación aditiva por robocasting es su capacidad para utilizar una amplia gama de “tintas” como materia prima, ya que la capacidad de adelgazamiento por cizallamiento es la única propiedad del material inherentemente requerida. Como tal, el robocasting ha tenido diversas aplicaciones entre muchas clases de materiales dispares, como espumas metálicas , [6] polímeros precerámicos , [7] y tejidos biológicos . [8] Esto permite acceder a una amplia gama de características mecánicas a través de esta técnica, con una personalización adicional posible mediante el uso de cargas de tinta y parámetros de extrusión variables.
Los materiales de relleno a micro y nanoescala se usan comúnmente para crear materias primas compuestas para robocasting y están disponibles en una amplia gama de composiciones, con morfologías que generalmente se clasifican en las categorías amplias de esferas, plaquetas y filamentos/tubos. Tanto la composición como la morfología juegan un papel importante en las características mecánicas impartidas por el relleno. Por ejemplo, se ha demostrado que la inclusión de nanopúas rígidas de nitruro de boro dentro de la materia prima epoxi aumenta anisotrópicamente la resistencia y rigidez general del compuesto a lo largo de la dirección de orientación de la fibra debido a su asimetría de forma, [9] mientras que la inclusión de microesferas de vidrio huecas dentro del mismo material epoxi Se ha demostrado que la materia prima mejora isotrópicamente la resistencia específica al reducir significativamente la densidad total del compuesto. [10]
Además de la forma, se ha demostrado que los diferentes regímenes de tamaño dentro de rellenos de la misma morfología producen cambios significativos en las propiedades mecánicas. Para sistemas compuestos de fibra de carbono epoxi de composición idéntica, se ha demostrado que la resistencia a la flexión generalmente disminuye al disminuir la longitud de la fibra. Sin embargo, también se ha demostrado que las fibras más cortas producen un mejor comportamiento general de impresión durante el proceso de robocasting, ya que el aumento de la longitud también aumenta la probabilidad de atascos dentro del extrusor; Una mayor fidelidad de impresión, como se observa en las fibras más cortas, generalmente da como resultado una mayor reproducibilidad del comportamiento mecánico. Además, las fibras muy largas han mostrado una tendencia a romperse durante la extrusión, lo que esencialmente confiere un tamaño de facto a los rellenos de tipo filamento utilizados en el robocasting. [11]
Se ha demostrado que los fenómenos de extrusión inherentes a la técnica de robocasting tienen efectos apreciables en el comportamiento mecánico de las piezas resultantes. Uno de los más importantes es la alineación de los materiales de relleno dentro de las materias primas compuestas durante la deposición, que mejora a medida que aumenta la anisotropía del relleno. Este fenómeno de alineación también se vuelve más pronunciado al disminuir el diámetro de la boquilla y aumentar la velocidad de deposición de tinta, ya que estos factores aumentan el corte efectivo experimentado por las cargas suspendidas dentro de la materia prima de acuerdo con la teoría del flujo de Jeffrey-Hamel . De este modo, los rellenos se alinean paralelos al recorrido de extrusión, impartiendo un carácter anisotrópico significativo dentro de la pieza terminada. Esta anisotropía se puede mejorar aún más prescribiendo vías de extrusión que permanezcan paralelas durante todo el proceso de fabricación; por el contrario, prescribir vías de extrusión que exhiban diferentes orientaciones, como una rotación de 90° entre capas, puede mitigar este efecto. [12]
La selección de la ruta de deposición también se puede aprovechar para alterar las características mecánicas de los productos de robocasting, como en el caso de componentes graduados y no densos. La creación de estructuras de tipo celosía abierta mediante robocasting está muy extendida y permite optimizar la resistencia y la rigidez específicas al reducir la huella de la sección transversal de un material de materia prima determinado y al mismo tiempo conservar gran parte de su integridad mecánica en masa. [13] [14] [15] Además, la creación de una ruta de deposición única mediante el análisis de elementos finitos de una estructura deseada puede generar geometrías graduadas dinámicamente optimizadas para aplicaciones específicas. [dieciséis]
La técnica puede producir cuerpos cerámicos no densos que pueden ser frágiles y deben sinterizarse antes de poder usarse para la mayoría de las aplicaciones, de forma análoga a una vasija de cerámica de arcilla húmeda antes de ser cocida. A partir de esta técnica se puede formar una amplia variedad de geometrías diferentes, desde piezas monolíticas sólidas [2] hasta intrincados "andamios" a microescala [17] y materiales compuestos a medida. [18] Una aplicación muy investigada del robocasting es la producción de implantes de tejidos biológicamente compatibles. Se pueden formar con bastante facilidad estructuras reticulares apiladas en forma de "pilas de leña", que permiten que los huesos y otros tejidos del cuerpo humano crezcan y eventualmente reemplacen el trasplante. Con diversas técnicas de escaneo médico, se estableció la forma precisa del tejido faltante, se ingresó en un software de modelado 3D y se imprimió. Los vidrios de fosfato de calcio y la hidroxiapatita se han explorado ampliamente como materiales candidatos debido a su biocompatibilidad y similitud estructural con el hueso. [19] Otras aplicaciones potenciales incluyen la producción de estructuras específicas de alta superficie, como lechos de catalizadores o electrolitos de pilas de combustible . [20] Se pueden formar compuestos avanzados de soporte de carga de matriz metálica y matriz cerámica infiltrando cuerpos de pilotes de madera con vidrios fundidos, aleaciones o lodos.
El robocasting también se ha utilizado para depositar tintas poliméricas y sol-gel a través de diámetros de boquilla mucho más finos (menos de 2 μm) de lo que es posible con tintas cerámicas. [4]