Robocasting (también conocido como extrusión de material robótico [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 se extruye un filamento de un material pastoso desde una boquilla pequeña mientras la boquilla se mueve a través de una plataforma. [2] De este modo, 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 el robocasting, un modelo CAD 3D se divide en capas de manera similar a otras técnicas de fabricación aditiva. Luego, el material (normalmente una suspensión de cerámica) se extruye a través de una boquilla pequeña mientras se controla la posición de la boquilla, dibujando la forma de cada capa del modelo CAD. El material sale de la boquilla en un estado similar a un líquido, pero conserva su forma inmediatamente, explotando la propiedad reológica de la reducción por cizallamiento . Se diferencia del modelado por deposición fundida porque 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 consiste en importar un archivo STL y cortar esa forma en capas de un grosor similar al diámetro de la boquilla. La pieza se produce extruyendo un filamento continuo de material con la forma necesaria para llenar la primera capa. A continuación, se baja la plataforma o se sube la boquilla y se deposita la siguiente capa con el patrón requerido. Esto se repite hasta que se completa la pieza 3D. Normalmente 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 ordenador (CAM). Normalmente se utilizan motores paso a paso o servomotores para mover la boquilla con una precisión de hasta nanómetros. [4]
En este punto, la pieza suele ser muy frágil y blanda. A continuación, se suelen realizar el secado, el desaglomerado y la sinterización para otorgarle a la pieza las propiedades mecánicas deseadas.
Dependiendo de la composición del material, la velocidad de impresión y el entorno de impresión, la robocasting puede manejar típicamente voladizos moderados y grandes regiones de extensión muchas veces el diámetro del filamento en longitud, donde la estructura no está sostenida desde abajo. [5] Esto permite imprimir con facilidad intrincados andamios 3D periódicos, una capacidad que no poseen otras técnicas de fabricación aditiva. Estas piezas han demostrado ser muy prometedoras en los campos de los cristales fotónicos , los trasplantes óseos, los soportes de catalizadores y los filtros. Además, las estructuras de soporte también se pueden imprimir a partir de un "material fugitivo" que se elimina fácilmente. Esto permite imprimir casi cualquier forma en cualquier orientación.
Una ventaja clave de la técnica de fabricación aditiva de robocasting es su capacidad de utilizar una amplia gama de “tintas” de materia prima, ya que la capacidad de pseudoplástico es la única propiedad inherentemente requerida del material. Como tal, el robocasting ha visto diversas aplicaciones entre muchas clases de materiales dispares, como espumas metálicas , [6] polímeros precerámicos , [7] y tejidos biológicos . [8] Esto permite que una amplia gama de características mecánicas sean accesibles a través de esta técnica, con una adaptación adicional posible mediante el uso de rellenos de tinta y parámetros de extrusión variables.
Los materiales de relleno a escala micro y nanométrica se utilizan habitualmente para crear materias primas compuestas para el robocasting y están disponibles en una amplia gama de composiciones, con morfologías que normalmente se incluyen en las amplias categorías de esferas, plaquetas y filamentos/tubos. Tanto la composición como la morfología desempeñan papeles importantes en las características mecánicas impartidas por el relleno. Por ejemplo, se ha demostrado que la inclusión de nanobarbas rígidas de nitruro de boro dentro de la materia prima de epoxi aumenta anisotrópicamente la resistencia y la rigidez generales del compuesto a lo largo de la dirección de la orientación de la fibra debido a su asimetría de forma [9] , mientras que se ha demostrado que la inclusión de microesferas de vidrio huecas dentro de la misma materia prima de epoxi mejora isotrópicamente la resistencia específica al reducir significativamente la densidad total del compuesto [10] .
Además de la forma, se ha demostrado que 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 y epoxi de composición idéntica, se ha demostrado que la resistencia a la flexión generalmente disminuye con la disminución de la longitud de la fibra. Sin embargo, también se ha demostrado que las fibras más cortas producen un mejor comportamiento de impresión general durante el proceso de robocasting, ya que el aumento de la longitud también aumenta la probabilidad de atascos dentro del extrusor; la mayor fidelidad de impresión, como se observa para 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 imparte un límite de tamaño de facto en los rellenos de tipo filamento utilizados en robocasting. [11]
Se ha demostrado que los fenómenos de extrusión inherentemente ligados a la técnica de robocasting tienen efectos apreciables en el comportamiento mecánico de las piezas resultantes. Uno de los más significativos es la alineación de los materiales de relleno dentro de las materias primas compuestas durante la deposición, que se mejora a medida que aumenta la anisotropía del relleno. Este fenómeno de alineación también se vuelve más pronunciado con la disminución del diámetro de la boquilla y el aumento de la velocidad de deposición de la tinta, ya que estos factores aumentan el cizallamiento efectivo experimentado por los rellenos suspendidos dentro de la materia prima de acuerdo con la teoría de flujo de Jeffrey-Hamel . De este modo, los rellenos se alinean en paralelo a la vía de extrusión, lo que imparte un carácter anisotrópico significativo dentro de la pieza terminada. Esta anisotropía se puede mejorar aún más al prescribir vías de extrusión que permanezcan paralelas durante todo el proceso de fabricación; por el contrario, la prescripción de vías de extrusión que presenten diferentes orientaciones, como una rotación de "pila logarítmica" de 90° entre capas, puede mitigar este efecto. [12]
La selección de la trayectoria de deposición también se puede aprovechar para alterar las características mecánicas de los productos de robocasting, como en el caso de componentes no densos y graduados. La creación de estructuras de tipo reticular abierto mediante robocasting está muy extendida y permite la optimización de la resistencia y la rigidez específicas al reducir la huella de la sección transversal de un material de partida determinado, al tiempo que se conserva gran parte de su integridad mecánica en masa. [13] [14] [15] Además, la creación de una trayectoria de deposición única mediante el análisis de elementos finitos de una estructura deseada puede generar geometrías graduadas dinámicamente optimizadas para aplicaciones específicas. [16]
La técnica puede producir cuerpos cerámicos no densos que pueden ser frágiles y deben sinterizarse antes de que puedan usarse para la mayoría de las aplicaciones, de manera análoga a una olla de cerámica de arcilla húmeda antes de ser horneada. Se puede formar una amplia variedad de geometrías diferentes a partir de la técnica, desde piezas monolíticas sólidas [2] hasta intrincados "andamios" a microescala [17] y materiales compuestos a medida. [18] Una aplicación muy investigada para el robocasting es la producción de implantes de tejido biológicamente compatibles. Se pueden formar estructuras de celosía apiladas en "pilas de madera" con bastante facilidad que permiten que el hueso y otros tejidos en el cuerpo humano crezcan y eventualmente reemplacen el trasplante. Con varias técnicas de escaneo médico, se estableció la forma precisa del tejido faltante y se ingresó en un software de modelado 3D e 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 gran área superficial, como lechos de catalizadores o electrolitos de celdas de combustible . [20] Se pueden formar compuestos avanzados de matriz metálica y matriz cerámica que soportan carga infiltrando cuerpos de pilas 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]