Blog · CIM UPC
La fabricació additiva ha transformat la manera de dissenyar i fabricar components, però moltes tecnologies d’impressió 3D continuen condicionades pel format de la matèria primera, com ara filaments termoplàstics, pols o resines fotopolimeritzables.
El Direct Ink Writing (DIW), també conegut com a robocasting o impressió 3D per extrusió de pastes, permet superar moltes d’aquestes limitacions mitjançant la deposició controlada de tintes, pastes, gels i suspensions. Aquesta flexibilitat obre la porta a la fabricació additiva de ceràmiques, metalls, polímers, materials funcionals i fins i tot formulacions biològiques que incorporen cèl·lules vives.
A CIM UPC, centre tecnològic de Barcelona especialitzat en fabricació avançada, hem desenvolupat PowerDIW, una plataforma d’impressió 3D modular orientada a la recerca, el desenvolupament de nous materials i la fabricació de components amb funcionalitats específiques.
Com funciona el Direct Ink Writing?
El DIW és una tecnologia de fabricació additiva en què un sistema d’extrusió diposita material a través d’un broquet seguint trajectòries programades. El material es distribueix capa a capa fins a obtenir la geometria tridimensional.
El procés comprèn tres etapes principals:
- Preparació del material. La matèria primera es formula en forma de pasta, tinta, gel o suspensió, combinant els materials d’interès amb els vehicles i additius necessaris per al seu processament.
- Extrusió i deposició. El material es dosifica mitjançant un sistema d’extrusió i es diposita seguint la geometria definida digitalment.
- Consolidació. En funció de la formulació, les peces es poden estabilitzar mitjançant assecat, curat, reticulació o tractaments tèrmics. En moltes formulacions metàl·liques i ceràmiques, les peces impreses requereixen processos posteriors d’eliminació del lligant i sinterització.
A diferència de les tecnologies que necessiten fondre el material durant la impressió, el DIW pot processar moltes formulacions a temperatura ambient, fet especialment interessant per a materials sensibles a la temperatura o composicions experimentals.
Extrusió volumètrica: control precís de la quantitat de material dipositat
Una de les característiques tecnològiques més importants de PowerDIW és el seu sistema d’extrusió volumètrica mitjançant accionament mecànic del pistó.
En molts sistemes DIW convencionals, l’extrusió es produeix aplicant aire comprimit sobre el material. En aquests equips, el cabal depèn de la pressió aplicada i de la resistència al flux que ofereixen la formulació i el broquet.
En canvi, PowerDIW controla directament el desplaçament del pistó de la xeringa. Coneixent la seva secció interna, és possible relacionar el moviment de l’actuador amb el volum teòric de material desplaçat:
V = A · Δx
on V és el volum desplaçat, A és la secció interna de la xeringa i Δx és el desplaçament del pistó.
Aquest principi ofereix avantatges importants:
- Dosificació volumètrica controlada: permet programar la quantitat de material que es vol dipositar.
- Sincronització amb el moviment: el volum extrudit es pot coordinar amb la velocitat i la trajectòria del capçal per controlar la secció del cordó.
- Major control en inicis i finals de trajectòria: la gestió del moviment del pistó facilita l’ajust dels arrencaments, les parades i les retraccions.
- Repetibilitat de procés: permet reproduir consignes de dosificació i comparar condicions d’impressió.
- Adaptabilitat a formulacions diferents: facilita l’ajust del procés quan canvien la composició o les característiques del material.
El volum efectivament extrudit continua depenent de les condicions de procés i de la resposta del material, però l’accionament mecànic proporciona un control directe del volum desplaçat, en lloc de dependre únicament de la regulació pneumàtica.
Quins materials es poden imprimir amb DIW?
La principal fortalesa del DIW és la possibilitat de desenvolupar formulacions específiques per a cada aplicació, sense quedar limitats a un catàleg tancat de materials comercials.
Ceràmiques tècniques
El DIW permet fabricar components amb alúmina, zirconi, fosfats de calci, vidres bioactius i altres materials ceràmics.
Les aplicacions inclouen suports catalítics, components porosos, estructures tècniques i dispositius amb geometries internes difícils d’obtenir mitjançant processos convencionals.
Metalls i aliatges
Les tintes metàl·liques permeten dipositar partícules de materials com coure, acer o altres metalls en forma de peces tridimensionals que posteriorment es poden consolidar mitjançant tractaments tèrmics.
Aquesta aproximació també presenta oportunitats per a l’aprofitament de materials reciclats i el desenvolupament de composicions específiques.
Polímers, elastòmers i materials compostos
Les formulacions polimèriques permeten fabricar components flexibles, estructures funcionals i peces amb propietats ajustables.
Entre els materials processables, quan es disposa de la formulació adequada, hi ha polímers com PCL, PLA, PVA i TPU, així com silicones i resines curables mitjançant radiació ultraviolada (UV) o altres mecanismes de consolidació.
La incorporació de partícules conductores, magnètiques, dielèctriques o altres càrregues funcionals amplia les possibilitats de fabricar components multifuncionals.
Biomaterials i impressió 3D de teixits vius
Una de les aplicacions més avançades del DIW és la bioimpressió 3D (3D bioprinting), que permet dipositar biomaterials i hidrogels que contenen cèl·lules vives.
Aquesta tecnologia s’utilitza en recerca en enginyeria de teixits, medicina regenerativa, models biològics tridimensionals i plataformes experimentals per a l’estudi de fàrmacs.
La possibilitat de controlar espacialment la deposició permet crear arquitectures amb diferents materials i poblacions cel·lulars.
Entre els materials utilitzats en bioimpressió destaquen hidrogels com l’alginat, l’àcid hialurònic i altres formulacions biocompatibles.
En aquestes aplicacions, però, és imprescindible adaptar els materials i els paràmetres de procés per preservar la viabilitat cel·lular, així com utilitzar les condicions de treball, esterilitat i bioseguretat adequades.
La bioimpressió de teixits vius és una capacitat de la família tecnològica DIW. La seva aplicació en una configuració concreta de PowerDIW requereix validar les condicions d’impressió i els requisits biològics del procés.
DIW i FFF: dues tecnologies d’extrusió complementàries
La principal diferència entre DIW i Fused Filament Fabrication (FFF/FDM) és el format i el mecanisme de processament del material.
L’FFF utilitza un filament termoplàstic que es fon i es diposita capa a capa, solidificant-se posteriorment per refredament.
El DIW, en canvi, treballa amb formulacions en forma de pasta, tinta o gel, sense necessitat de disposar d’un filament termoplàstic.
Aquesta característica permet explorar materials que no es poden transformar fàcilment en filaments comercials.
Les dues tecnologies poden ser complementàries i integrar-se en un mateix sistema de fabricació. PowerDIW ofereix configuracions híbrides que permeten incorporar capçals FFF juntament amb sistemes d’extrusió DIW, ampliant les possibilitats de fabricar peces multimaterial i integrar diferents funcionalitats en un mateix procés.
Aplicacions científiques desenvolupades amb participació de CIM UPC
La recerca de CIM UPC en DIW inclou el processament de metalls, el desenvolupament de formulacions ceràmiques i l’adaptació de sistemes de fabricació additiva a materials experimentals.
Impressió 3D de coure
En un treball publicat a Procedia Manufacturing, Bonada i col·laboradors van investigar la influència dels paràmetres de deposició sobre la geometria dels cordons metàl·lics i la contracció dimensional posterior a la sinterització.
La investigació va demostrar la importància de controlar les condicions de fabricació per obtenir peces metàl·liques amb una geometria reproduïble [1].
Ceràmiques avançades per a catàlisi
En una investigació publicada al Journal of the European Ceramic Society, Álvarez i col·laboradors van estudiar formulacions d’alúmina, condicions de sinterització i estructures tridimensionals destinades a aplicacions catalítiques.
Els resultats van mostrar com la combinació de formulació, tractament tèrmic i disseny geomètric pot influir en el comportament final dels components ceràmics [2].
Materials metàl·lics recuperats
Dins del projecte FENIX, la recerca de CIM UPC va explorar el desenvolupament de processos DIW per a la valorització de materials metàl·lics procedents de residus d’aparells elèctrics i electrònics.
Aquest enfocament contribueix a estudiar noves vies de fabricació i reutilització de materials en un context d’economia circular [3].
Models anatòmics de silicona
Un treball publicat a Materials Advances el 2024 documenta la utilització d’una PowerDIW de CIM UPC per imprimir formulacions de silicona amb propietats adaptables per a la fabricació de models anatòmics experimentals.
Aquest exemple mostra com una plataforma DIW pot combinar formulacions polimèriques especialitzades, control del procés d’extrusió i sistemes de consolidació adaptats a l’aplicació [4].
PowerDIW: extrusió d’alta força i compatibilitat amb una gran varietat de materials
A partir de l’experiència acumulada en el desenvolupament d’impressores 3D personalitzades i projectes d’R+D, CIM UPC ha desenvolupat PowerDIW, una plataforma de fabricació additiva modular dissenyada per adaptar-se a diferents materials, processos i necessitats experimentals.
Un dels seus elements diferencials és el capçal d’extrusió patentat, capaç d’exercir fins a 800 N de força sobre el pistó, una capacitat especialment rellevant per processar pastes d’alta viscositat i formulacions amb elevades concentracions de partícules.
Un rang de viscositats de set ordres de magnitud
PowerDIW està dissenyada per processar formulacions amb viscositats compreses entre 10⁻³ i 10⁴ Pa·s, mesurades a una velocitat de cisallament de 0,1 s⁻¹.
Aquest interval, que comprèn set ordres de magnitud, permet abordar materials amb comportaments molt diferents, des de tintes fluides fins a pastes altament viscoses.
Entre les formulacions que s’han processat amb equips PowerDIW es troben:
- Polímers: PCL, PLA, PVA i TPU.
- Hidrogels: Pluronic, alginat i àcid hialurònic.
- Silicones i resines curables: formulacions compatibles amb curat UV o altres sistemes de consolidació.
- Materials compostos: pastes amb concentracions elevades de partícules ceràmiques, metàl·liques o altres càrregues inorgàniques.
Aquesta versatilitat facilita el desenvolupament de noves formulacions, així com l’adaptació del procés a materials amb diferents propietats i requisits de fabricació.
Formulacions amb més del 90 % de càrrega inorgànica en massa
Una altra característica destacable és la possibilitat de processar determinades formulacions amb més del 90 % en massa (wt.%) de partícules inorgàniques.
Aquesta capacitat és especialment interessant en aplicacions on es necessita una elevada proporció de material funcional, com ara ceràmiques tècniques, metalls o compostos altament carregats.
Cal diferenciar el percentatge en massa del percentatge en volum, ja que no són equivalents. La concentració màxima processable depèn de les característiques de les partícules, del sistema de lligant, de la geometria del broquet i de les condicions d’extrusió.
Control del procés i arquitectura modular
PowerDIW està concebuda com un sistema configurable que permet adaptar l’equipament a l’aplicació:
- Extrusió volumètrica mitjançant accionament mecànic del pistó.
- Fins a 800 N de força d’extrusió, segons la configuració de referència.
- Diversos capçals DIW per a processos multimaterial.
- Integració de sistemes FFF per combinar l’extrusió de pastes amb filaments termoplàstics.
- Calefacció i refrigeració de la xeringa per adaptar les condicions de processament.
- Control de temperatura i humitat segons la configuració de l’equip.
- Sistemes auxiliars UV i IR per a formulacions que requereixen curat o aportació tèrmica.
- Opcions d’eixos addicionals, com ara sistemes de rotació, i altres desenvolupaments personalitzats.
La combinació d’aquestes funcionalitats permet adaptar la plataforma a les necessitats de cada projecte de recerca o aplicació industrial.
Per què escollir PowerDIW en lloc d’una altra impressora DIW?
El mercat ofereix diferents sistemes Direct Ink Writing, des d’equips pneumàtics de laboratori fins a plataformes especialitzades en bioimpressió, microdosificació o impressió de materials funcionals.
PowerDIW es diferencia per combinar una elevada força d’extrusió, dosificació volumètrica, un ampli rang de materials processables i una arquitectura modular en una mateixa plataforma.
El seu capçal de fins a 800 N proporciona una capacitat de força especialment interessant per treballar amb pastes altament viscoses i formulacions carregades amb partícules.
El control volumètric mitjançant el desplaçament mecànic del pistó facilita la dosificació programada i la sincronització entre extrusió i moviment, a diferència de sistemes que depenen exclusivament de la pressió pneumàtica.
A més, la capacitat declarada de treballar amb viscositats entre 10⁻³ i 10⁴ Pa·s a 0,1 s⁻¹ i amb determinades formulacions que superen el 90 % en massa de sòlids inorgànics amplia les possibilitats de desenvolupament de materials.
La plataforma no està concebuda per treballar exclusivament amb un catàleg de consumibles, sinó per permetre que investigadors i empreses desenvolupin les seves pròpies formulacions i adaptin el procés a cada aplicació.
La seva arquitectura modular també ofereix flexibilitat per combinar capçals, incorporar sistemes auxiliars i modificar la configuració de la màquina a mesura que evolucionen les necessitats del projecte.
Finalment, PowerDIW és una tecnologia desenvolupada per CIM UPC, un centre tecnològic amb experiència en fabricació additiva, desenvolupament d’equipament i processament de materials. Això permet complementar la màquina amb assessorament tècnic, estudis de viabilitat i desenvolupaments personalitzats.
Per tant, PowerDIW no és únicament una impressora 3D per a pastes, sinó una plataforma de recerca i fabricació adaptable, especialment indicada per a materials no convencionals, formulacions pròpies i aplicacions avançades de fabricació additiva.
De la recerca al desenvolupament de noves aplicacions
El Direct Ink Writing obre oportunitats en sectors tan diversos com les ceràmiques avançades, la fabricació metàl·lica, l’electrònica, l’energia, els biomaterials i els materials multifuncionals.
La possibilitat de desenvolupar formulacions pròpies, combinar diferents materials i ajustar les condicions de fabricació resulta especialment interessant per a empreses i grups de recerca que necessiten anar més enllà de les solucions comercials convencionals.
Amb PowerDIW, CIM UPC ofereix una plataforma configurable per explorar aquestes possibilitats, des de la investigació inicial fins al desenvolupament de processos adaptats a aplicacions concretes.
Descobreix PowerDIW i les seves configuracions
Contacta amb CIM UPC per estudiar una aplicació, sol·licitar informació tècnica o valorar una prova d’impressió amb el teu material.
Referències científiques
- [1] Bonada, J., Xuriguera, E., Calvo, L., Poudelet, L., et al. (2019). Analysis of printing parameters for metal additive manufactured parts through Direct Ink Writing process. Procedia Manufacturing. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.09.056
- [2] Álvarez, F., Cifuentes, A., Serrano, I., et al. (2022). Optimization of the sintering thermal treatment and the ceramic ink used in Direct Ink Writing of α-Al₂O₃: Characterization and catalytic application. Journal of the European Ceramic Society. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.01.032
- [3] Poudelet, L., Castellví, A., & Calvo, L. (2021). An Innovative (DIW-Based) Additive Manufacturing Process. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-74886-9_6
- [4] Developing tuneable viscoelastic silicone gel-based inks for precise 3D printing of clinical phantoms. Materials Advances (2024). https://doi.org/10.1039/D4MA00011K
- [5] del-Mazo-Barbara, L., & Ginebra, M.-P. (2021). Rheological characterisation of ceramic inks for 3D direct ink writing: A review. Journal of the European Ceramic Society. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.08.031
- [6] A review on cell damage, viability, and functionality during 3D bioprinting. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9756521/