Una batería y un oído biónico: un indicio de la promesa de la impresión 3D

Las impresoras 3D de hoy en día generalmente solo pueden construir cosas con un tipo de material, generalmente un plástico o, en ciertas versiones industriales costosas de las máquinas, un metal. No pueden construir objetos con funciones electrónicas, ópticas o de cualquier tipo que requieran la integración de múltiples materiales. Pero los avances recientes en el laboratorio de investigación, incluida una batería impresa en 3-D y un oído biónico, sugieren que esto podría cambiar pronto.

Tinta de poder: Esta imagen de microscopio electrónico de barrido muestra una batería de iones de litio impresa en 3D. Pequeñas boquillas depositan tintas de ánodo y cátodo en la arquitectura precisa. El producto impreso que se muestra aquí mide aproximadamente un milímetro en cada lado y medio milímetro de alto. Después de la impresión, los electrodos se sinterizan y empaquetan.

El mes pasado, los investigadores dieron a conocer lo que dicen es la primera batería impresa en 3D del mundo, fabricada con dos tintas de electrodos diferentes. Dirigido por Jennifer Lewis , profesor de ingeniería de inspiración biológica en Harvard, el grupo utilizó pequeñas boquillas para depositar con precisión las tintas de ánodo y cátodo, que contienen nanopartículas de óxido de titanio y litio y fosfato de hierro y litio, respectivamente. en un papel en Materiales avanzados , los investigadores describieron la impresión de baterías recargables a escala milimétrica, que podrían usarse para alimentar cosas como pequeños sensores inalámbricos y dispositivos médicos. Las baterías, cada una de las cuales se puede imprimir en minutos, demostraron un rendimiento electroquímico impresionante.

Capa por capa: Esta imagen óptica muestra una boquilla con un diámetro de 30 micrómetros que deposita capas de tinta de electrodo.

El grupo de Lewis ha desarrollado los materiales y la tecnología de impresión personalizada, incluida una boquilla que puede imprimir características tan pequeñas como un micrómetro, necesarias para imprimir varios tipos diferentes de componentes funcionales además de las baterías, incluidos electrodos y antenas fabricadas con tintas que contienen nanopartículas metálicas y estructuras ópticas hechas de resinas fotoendurecibles. Ahora que ella y sus colegas han creado una paleta de tintas funcionales (su grupo tiene ocho patentes) para imprimir digitalmente componentes tanto en 2-D como en 3-D, el siguiente paso es intentar hacer componentes electrónicos integrados, dice Lewis.

Si bien pueden pasar muchos años antes de que algo tan complicado como un teléfono inteligente sea imprimible, es posible que ciertos productos electrónicos impresos en 3D no estén demasiado lejos. Tomemos los audífonos, por ejemplo, dice Lewis. Las empresas ya imprimen la carcasa de plástico que se coloca en la cavidad del oído del usuario. Los componentes electrónicos se ensamblan por separado y los dispositivos usan baterías pequeñas que deben reemplazarse aproximadamente cada siete días. Imagínese si pudiera imprimir en 3D todo el audífono, dice Lewis. Podemos imprimir sobre superficies curvas. Los componentes eléctricos, y una batería recargable como la que acaba de demostrar su grupo, podrían depositarse aditivamente dentro de la carcasa de plástico.

Las oportunidades que resultan de la capacidad de depositar con precisión materiales electrónicos u ópticos dentro de objetos impresos en 3-D no se limitan a la electrónica de consumo. En mayo, investigadores de Princeton informó utilizando una impresora 3D estándar para producir una oreja diseñada por computadora hecha de tejido real con componentes electrónicos entrelazados, incluida una antena en espiral y electrodos compuestos de un polímero conductor infundido con nanopartículas de plata. Para imprimir tejido, los investigadores sembraron una matriz gelatinosa con células bovinas. La matriz le dio a la oreja impresa su forma a medida que las células se convertían en cartílago.

Los investigadores admiten que el oído, que puede detectar frecuencias de radio, sirve principalmente como demostración. Sin embargo, es el primer ejemplo de este tipo de integración de tejido biológico y electrónica, y sugiere un nuevo enfoque basado en la fabricación aditiva para la ingeniería de tejidos.

La oreja impresa en 3-D y la batería de Lewis, ambas producidas con impresoras que extruyen material a través de una boquilla, abren una ventana al potencial de la fabricación aditiva para hacer cosas con más de una función, dice Richard Hague , director de la EPSRC Centro de fabricación innovadora en fabricación aditiva en la Universidad de Nottingham.

Sin embargo, dice Hague, si la impresión 3-D va a tener un impacto en un sentido de fabricación sólido a largo plazo, es más probable que sea a través de otras tecnologías de impresión, por ejemplo, máquinas avanzadas que utilizan cabezales de impresión como los de las impresoras de inyección de tinta convencionales. . La investigación en su centro se centra en superar los obstáculos sustanciales relacionados con los materiales para imprimir materiales conductores de esta manera.

Por ahora, el grupo de Lewis está explorando formas de comercializar sus impresoras basadas en extrusión, que pueden imprimir tintas funcionales a través de boquillas tan pequeñas como 100 nanómetros y pueden equiparse con cabezales de impresión capaces de depositar tintas desde múltiples boquillas más grandes al mismo tiempo. Creo que hay un camino para fabricar componentes personalizados, dice. Al menos esa es nuestra visión.

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