Geometría compleja obtenida por litografía aditiva de slurries o pastas cerámicas. / Proyecto TOMAX

Investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid han desarrollado nuevos diseños litográficos para este tipo de fabricación aditiva y los han aplicado en campos como la ingeniería de tejidos y los vehículos de competición.

Un equipo de investigadores de la ETSI Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) ha participado en el proyecto europeo TOMAX (Toolless manufacturing of complex structures), centrado en mejorar las tecnologías de fabricación aditiva basadas en litografía (reproducir lo dibujado) para la fabricación de piezas en materiales cerámicos con alta complejidad geométrica.

Los investigadores han contribuido al éxito del proyecto implementando e integrando diferentes estrategias de diseño a estas tecnologías de impresión 3D por fotopolimerización aditiva destinadas a mejorar el peso y resistencia mecánica de los componentes fabricados, controlar las propiedades y texturas superficiales de las piezas obtenidas, evaluar la influencia del propio proceso de fabricación en la calidad final e integrar funcionalidades en diversas aplicaciones finales ligadas a sectores como energía, transporte y salud.

Se mejoran las tecnologías de fabricación aditiva basadas en litografía para fabricar piezas en materiales cerámicos con alta complejidad geométrica

Las técnicas de fabricación aditiva basados en fotopolimerización de resinas y slurries cerámicas (pastas de base polimérica con alto contenido de partículas cerámicas) son a día de hoy las tecnologías industriales de impresión 3D que proporcionan el mejor compromiso entre precisión de fabricación y tamaño de pieza, además de posibilitar una alta productividad y la fabricación con polímeros y cerámicos de altas prestaciones.

Mejorar estas tecnologías ha sido el objetivo de los socios que han participado en el proyecto TOMAX. Para ello ha sido necesario trabajar en diversos aspectos que incluyen: mejoras en el software específico para estos procesos, el desarrollo e integración de técnicas de modelizado computacional para optimizar geometrías y procesos, la integración de sistemas de iluminación y posicionamiento de muy alta precisión y el desarrollo de nuevos fotopolímeros y cerámicos avanzados.

Como señala Andrés Díaz Lantada, investigador de la UPM participante en el proyecto, “es necesario dedicar esfuerzos al desarrollo de nuevas formas de diseñar orientadas a estos procesos aditivos para potenciar el impacto industrial de todo tipo de tecnologías de impresión 3D y conseguir que no sólo se apliquen a prototipos conceptuales, sino también a la obtención de piezas finales competitivas y con altas prestaciones”.

Fabricación aditiva más productiva, eficiente y sostenible

Y esto es precisamente lo que ha hecho los autores, que se publican su trabajo en las revistas International Journal of Advanced Manufacturing Technologies y el Journal of Industrial Ecology. Para ello han empleado métodos de optimización topológica y topográfica, así como modelizaciones computacionales de los procesos de fotopolimerización y de las aplicaciones en servicio. Se han aplicado también metodologías de análisis del ciclo de vida para evaluar el impacto de las mejoras introducidas en la consecución de una fabricación aditiva más productiva, eficiente y sostenible.

Entre las aplicaciones industriales diseñadas y validadas desde UPM para las empresas participantes se encuentran microsistemas fluídicos denominados "lab-on-a-chip" y "organ-on-a-chip" con diseños monolíticos para mejoras ergonómicas y funcionales; o estructuras y metamateriales reticulados y porosos con diseños bioinspirados y aplicación como andamios para ingeniería de tejidos.

Los nuevos diseños litográficos se han aplicado para crear andamios en ingeniería de tejidos y componentes para vehículos de competición

Además, se han desarrollado nuevos conceptos de intercambiadores y disipadores de calor que integran funcionalidades estructurales y térmicas; pilas de combustible de óxido sólido con geometrías especiales; componentes para vehículos de competición en los que la optimización topológica y topográfica conlleva mejoras funcionales, ergonómicas e incluso estéticas; y diversos tipos de actuadores para robots blandos (soft robotics) en los que la complejidad geométrica posibilita nuevas formas de interacción con el entorno.

Los resultados del proyecto y las estrategias de diseño y aplicaciones industriales desarrolladas han ayudado a posicionar a las empresas participantes como líderes en sus respectivos campos y a mejorar la competitividad de la Unión Europea en el sector de la fabricación aditiva, aportando innovaciones a todos los ámbitos relevantes del mismo (incluyendo software, materiales, tecnologías y procesos) y beneficiando a diversas industrias con múltiples casos de éxito que integran e ilustran dichos avances.

El proyecto ha sido financiado por el programa Horizon 2020 (convocatoria Factories of the Future) y desarrollado bajo la dirección del profesor Jürgen Stampfl de la Universidad Técnica de Viena con la participación de la UPM y de las empresas Lithoz, Syalons, Rauschert, Invision, Deskartes, Cycleco, R2M y OSRAM.

Referencia bibliográfica:

Díaz Lantada, A.; De Blas Romero, A.; Schwentenwein, M.; Jelinek, C.; Homa, J.; García-Ruíz, J.P..- “Monolithic 3D labs- and organs-on-chips obtained by lithography-based ceramic manufacture”. International Journal of Advanced Manufacturing Technologies, 93, 9-12, 3371-3383, 2017.

Díaz Lantada, A.; De Blas Romero, A.; Sánchez Isasi, A., Garrido Bellido, D..- “Design and performance assessment of innovative eco-efficient support structures for additive manufacturing by photopolymerization”. Journal of Industrial Ecology, 21(1), 179-190, 2017.

De Blas Romero, A.; Pfaffinger, M.; Mitteramskogler, G.; Schwentenwein, M.; Jellinek, C.; Homa, J.; Díaz Lantada, A.; Stampfl, J..- “Lithography-based additive manufacture of ceramic biodevices with design-controlled surface topographies”. International Journal of Advanced Manufacturing Technologies, 88, 1547-1555, 1-9, 2017