Una nueva dimensión: cómo una empresa nueva transformó la fabricación de precisión

En alianza con BMF

La fabricación tradicional se enfrenta a importantes desafíos cuando se le asigna la tarea de crear rápidamente componentes pequeños que implican estructuras diminutas, altamente complejas y elaboradas con precisión, elementos como conectores en miniatura y microlentes para endoscopios. Todas estas piezas requieren una fabricación de alta precisión para crear un perfil de superficie exacto y estructuras internas complicadas, lo cual es costoso. Ahora, la tecnología de impresión 3D nano/micro de vanguardia está superando estos obstáculos al proporcionar una personalización más sencilla y una producción más rápida de estas piezas complicadas, al mismo tiempo que responde a la creciente demanda de fabricación de precisión en otros campos.

El investigador de mercado Technavio predice que el mercado mundial de servicios de impresión 3D seguirá creciendo un 44 % anual hasta 2021. La creciente necesidad de fabricación de precisión también está impulsando el crecimiento de los servicios de impresión 3D de precisión. Se espera que el mercado mundial de anteojos, por ejemplo, tenga una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) del 3,7 por ciento hasta 2018, alcanzando los $130 mil millones, según Transparency Market Research.

[Muchos] problemas de fabricación ahora se pueden resolver con esta nueva capacidad de producción rápida y económica, por lo que el mercado potencial para las piezas nano/microimpresas está empezando a vislumbrarse, dice William Plummer, científico sénior y miembro del consejo asesor de BMF Material Technology, una Nueva empresa con sede en Boston/Shenzhen que fabrica materiales e impresoras 3D nano/micro, así como productos personalizados para otras empresas que utilizan sus equipos.

Si bien las nuevas empresas de impresión en 3D conocidas, como Desktop Metal y Carbon, ya han atraído mucha atención en el mercado, se centran en la fabricación a gran escala. A medida que la tecnología ha avanzado, se ha vuelto más experta en la creación de componentes más pequeños y detallados.

La impresión 3D nano/micro es capaz de generar componentes diminutos y complejos. Esta es la encarnación más precisa de la tecnología de impresión 3D y está lista para revolucionar la industria de fabricación de componentes de precisión. Ahora, empresas como BMF están llevando esta tecnología a un nuevo nivel con impresoras que tienen una resolución de micrómetros/nanómetros y la capacidad de realizar una fabricación de alto volumen. Lo que distingue a BMF, dice Plummer, es el nivel de rigor del equipo y las opciones únicas de materiales y procesos: la tecnología de impresión 3D de precisión de BMF puede fabricar piezas mecánicas pequeñas, como resortes diminutos, formas especiales de conectores eléctricos e incluso piezas complicadas y dispositivos exigentes como los stents cardíacos.

Cómo funciona

Pocos avances tecnológicos han capturado la imaginación del público e inspirado la ingeniería y la creatividad artística en la misma medida que la impresión 3D, especialmente la impresión 3D nano/micro. A partir de un archivo digital, es posible crear un objeto físico tridimensional. Si bien no es una tecnología nueva, los avances recientes la han convertido en una forma más práctica de crear prototipos, componentes únicos y artículos demasiado costosos o difíciles de fabricar utilizando métodos tradicionales como el moldeado y el mecanizado CNC (control numérico por computadora).

BMF utiliza una técnica llamada Pulse (Projection Micro Litho Stereo Exposure), que es similar al método utilizado en un dispositivo de visualización de video a microescala cuando una serie de imágenes se proyecta secuencialmente a través de una lente de reducción para curar la resina de fotopolímero sensible a la luz. Cuando el patrón de imagen reducido se enfoca en la resina fotosensible, la luz ultravioleta inicia el proceso de curado o endurecimiento, que se conoce como fotorreticulación. Solo el área iluminada por la luz cura y se endurece en la forma tridimensional prescrita. Los patrones de luz proyectados están definidos por las imágenes tridimensionales, que son las secciones de un modelo tridimensional generado por computadora. En combinación con diversas técnicas de posprocesamiento, BMF puede fabricar una amplia gama de productos, incluidos artículos como cerámica y lentes ópticas.

La principal diferencia entre la impresión 3D nano/micro y la tradicional es el grado de precisión y resolución que permite la impresión 3D nano/micro. Al describir este método de impresión 3D, la resolución entra en los niveles meso, micro y nano (es decir, una mil millonésima parte de un metro). Este calibre de impresión 3D puede replicar componentes en miniatura, verdaderamente microscópicos, con niveles de detalle y precisión que son imposibles de lograr con la impresión 3D típica.

En los últimos años, la impresión 3D ha llegado al punto en que los consumidores pueden comprar una impresora 3D por entre 200 y 500 dólares. Sin embargo, estas impresoras de gama baja se parecen poco a las sofisticadas impresoras 3D nano/micro que empresas como BMF ahora construyen y utilizan para fabricar varios componentes.

Fabricación de precisión

BMF ingresó al mercado de la impresión 3D nano/micro de alta resolución en mayo de 2016, cuando se separó del Laboratorio de nanofotónica y nanofabricación 3D del MIT. La tecnología de la empresa se basa en la misma tecnología que fue nombrada una de Revisión de tecnología del MIT Las 10 tecnologías innovadoras de 2014 y 2015. (De hecho, Nicholas Fang, cofundador/científico jefe de BMF, es parte de un equipo líder en tecnología de impresión 3D nano/micro que fue reconocido por Revisión de tecnología del MIT en 2015.)

BMF se enfoca en la fabricación de componentes de precisión más pequeños, pero en los volúmenes más altos requeridos por segmentos de la industria como los dispositivos médicos. El sistema de impresión 3D de BMF puede alcanzar un gran volumen debido al pequeño tamaño de los componentes que fabricamos, dice Xiaoning He, cofundador/CEO de la empresa. Los tamaños de pieza pequeños permiten imprimir una gran cantidad de componentes simultáneamente. Por ejemplo, las impresoras 3D de BMF pueden fabricar cientos de lentes con un diámetro de aproximadamente un milímetro en una hora, lo que da como resultado una capacidad de fabricación de cientos de miles de piezas al año, lo que puede satisfacer la demanda de volumen de los fabricantes de endoscopios. Además, cada pieza de un lote de componentes se puede personalizar independientemente del número de componentes que se fabriquen. Estas capacidades pueden satisfacer las demandas de volumen de los clientes industriales que necesitan pequeños componentes de precisión.

Tecnología innovadora

Con su enfoque innovador, el equipo de BMF se ha dirigido a la industria óptica. Solo el lucrativo mercado de anteojos ópticos en China representa $ 12 mil millones anuales. La mayoría de los anteojos no están realmente personalizados según las necesidades y especificaciones de un individuo, sino que se basan en prescripciones estándar. Los anteojos complicados, como los lentes de forma libre, son caros, dice Yi Zhen, subdirector del Departamento de Transferencia de Tecnología Médica del Instituto de Oftalmología de Beijing, Beijing. Tongren Hospital . Por ejemplo, el precio de venta al público de un par de lentes personalizados de forma libre [utilizando la fabricación tradicional] puede alcanzar los $1300.

El ojo humano es un órgano complejo y no es un sistema óptico perfecto. No hay dos ojos iguales, dice Zhen. Sin embargo, los lentes tradicionales se fabrican a partir de lentes en bruto semiacabados que se moldean en fábrica en cantidades masivas. Los lentes personalizados de forma libre tienen el potencial de liberar a los usuarios de anteojos de los compromisos ópticos de los lentes tradicionales producidos en masa. Las lentes de forma libre personalizadas tradicionales requieren maquinaria costosa... por lo que la mayoría de las personas no pueden permitírselo. Por lo tanto, la mayoría de los pacientes no pueden lograr la corrección ideal de la visión y su vista sigue deteriorándose.

El Hospital Beijing Tongren es el hospital oftalmológico más grande de China, con alrededor de un millón de visitas de pacientes al año. Ningli Wang, profesor de Beijing Tongren, y su equipo, se unieron a BMF para producir lentes personalizados de forma libre de bajo costo de acuerdo con la prescripción de cada individuo. El equipo ha diseñado y fabricado con éxito una lente personalizada sofisticada con las siguientes características de diseño:

• Diseño tórico que corrige el astigmatismo y reduce las aberraciones;
• Diseño asférico que corrige la miopía y reduce el grosor del borde de la lente;
• Diseño de desenfoque periférico que controla el desarrollo de la miopía en niños.

Si bien una lente de forma libre de este tipo es difícil y costosa de producir tradicionalmente, con la tecnología de BMF, se tarda solo unas cuatro horas en fabricarse, y la lente tiene un costo similar al de una lente normal. Con costos de sistema y velocidad de producción mucho más bajos, las lentes impresas en 3D están preparadas para revolucionar el suministro de lentes especiales para anteojos para la profesión oftalmológica, dice Mo Jalie, científico principal y miembro del consejo asesor de BMF.

La tecnología de BMF también puede revolucionar potencialmente muchas otras áreas oftálmicas, incluida la creación de lentes de contacto correctivos hechos a medida que ayudan a los pacientes con aberraciones complejas después de problemas como un trasplante de córnea, queratocono (una enfermedad ocular progresiva en la que la córnea normalmente redonda se distorsiona en una forma de cono) y condiciones causadas por lesiones externas. La impresión 3D para la industria de las lentes ópticas es como la impresión digital para la industria editorial, dice Wang. Esta nueva tecnología da como resultado una producción de lentes más rápida, menos costosa, más flexible y precisa.

Nuevas dimensiones de fabricación

Hay una miríada de otros casos de uso de precisión para la impresión 3D nano/micro, como stents cardíacos, lentes de endoscopio y conectores eléctricos específicos, dice Xiaoning. En la actualidad, se requiere mecanizado con láser para tallar la compleja estructura interna de los stents cardíacos. La impresión 3D puede generar más fácilmente la estructura necesaria, permitir diseños más sofisticados y reducir drásticamente los costos en comparación con los métodos de fabricación tradicionales.

Los conectores eléctricos también son cada vez más pequeños y más complejos. La tecnología de impresión 3D nano/micro brinda a los ingenieros las herramientas para diseñar conectores intrincadamente complejos y de forma irregular. Xiaoning dice que BMF también ha recibido pedidos en muchas otras áreas, incluidos los componentes cerámicos de precisión.

Al igual que con cualquier tecnología emergente, la impresión 3D nano/micro se está volviendo más precisa, más capaz y menos costosa. Puede ofrecer una mayor precisión a un costo significativamente menor y es más rápido y simple que los métodos tradicionales que brindan niveles similares de precisión.

El mercado mundial de piezas fabricadas con alta precisión es muy exigente y lucrativo. Y muchas veces, la tecnología tradicional simplemente no funciona en absoluto, dice Xiaoning. Al describir los desafíos de la fabricación de componentes microscópicos, cita una frase de la industria: A veces decimos: 'Cuanto más pequeño, más difícil'.

Para obtener más información sobre la tecnología de impresión 3D nano/micro, visite www.bmftec.cn

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