Impresión en 3D realmente rápida

La impresión en 3D es joven, tiene unos treinta años y se empieza a emplear en multitud de aplicaciones y materiales. Uno de los problemas más graves de la fabricación aditiva o impresión en 3D, estriba en la lentitud del proceso, lo que limita seriamente sus posibilidades en la industria.

Pues unos investigadores han descubierto un sistema capaz de imprimir casi cualquier producto que pueda ser endurecido, o curado, según métodos químicos u ópticos, que además, no presenta algunas de las limitaciones más habituales y exigentes en cuanto al tamaño de impresión, como que todo el volumen de impresión se alcance por el brazo «impresor», el sistema de extrusión

El sistema empleado es el uso de un gel granular como medio de suspensión. En él se introduce mediante algún brazo robótico el líquido a endurecer, se endurece según su método habitual y luego se puede extraer, lavando la pieza producida. La clave es que este gel se comporta de dos maneras distintas según la tensión que se le introduce: Si está sometido a una tensión grande, actúa como un líquido, que rodea el objeto como el agua una cuchara que se introduce en un vaso. Si, por el contrario, la fuerza ejercida por el objeto sumergido en el gel es pequeña, actúa como un sólido, sujetando el material que la aguja a dejado en su interior. El gel se hace con un polímero que se usa en cosmética al que se añade agua…

Un detalle muy curioso es que el sistema de impresión no se basa en hacer rodajas finas que luego se imprimirán capa a capa, sino que más bien el objeto a imprimir se de be visualizar como una línea tridimensional que se convierte a una línea paramétrica cuasi contínua, al estilo de los sistemas CNC, donde las rutas de la herramienta son una línea.

Impresión por RLP de un cilindro de 15 x 15 x 20 cm en goma. ¡El tiempo total de la impresión fue de 4 min y 49 s! Imagen del artículo https://link.springer.com/article/10.1140%2Fepjd%2Fe2007-00305-4

El artículo está publicado en https://link.springer.com/article/10.1140%2Fepjd%2Fe2007-00305-4

Mayor comprensión de los diversos mecanismos de formación de superficies hidrofóbicas.

En un artículo reciente, unos investigadores han logrado medir con mayor precisión la tensión generada en una gota sobre tres tipos de superficies hidrofóbicas, esto es, que repelen los líquidos en su superficie, logrando confirmaciones experimentales de modelos sobre la tensión ejercida por la gota con la superficie en movimiento.

Esta medida es importante porque la tensión producida sobre la hoja «desfavorece» el movimiento. Es decir, cuanto más pequeña sea, más hidrofóbica es una superficie. Y además, saber cómo se comporta con la velocidad relativa del fluido sobre la superficie es fundamental si quieres calcular, o estimar, el rozamiento del fluido en la superficie. Y hasta ahora nadie había logrado observar las diferencias entre las diversas superficies hidrofóbicas con tanto nivel de detalle.

Figura 01. Del artículo PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 244503 (2018)

Como indican en el artículo, una de las claves está en el método que tienen para poder medir las fuerzas. Como cualquier idea genial, es simplísima una vez que se cuenta, pero muy difícil de darse cuenta y de hacer: Usan un «cantilever», que parece ser se traduce por guía voladiza, pegada a la gota. Es decir, una finísima barra de cristal, concretamente un tubo capilar, se acerca con cuidad extremo a la gota del líquido sobre la superficie para poder medir la flexión en el tubo de cristal, y por aplicación directa de la ley de Hooke ( F = k Δx ) sacan del desplazamiento la fuerza, fijaos en la figura 1. La otra opción genial es deslizarla  un ángulo determinado y comprobar su dinámica en el tiempo, su x(t), que es muy distinta según la gota esté sometida o no a una fuerza constante o a ninguna fuerza.

Con el segundo método se obtiene la segunda figura, donde los desplazamientos a lo largo del tiempo evidencian las fuerzas a las que se somete la gota por la superficie en la que se desliza.

Figura 02. x(t) para las tres superficies estudiadas. Del artículo PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 244503 (2018)

Las tres superficies hidrofóbicas estudiadas son las más comunes:

  • Una superficie conformada con pilares nanométricos para atrapar el aire y generar menos arrastre de la gota,
  • Una superficie con «cepillos moleculares», que debido a las proteínas que forman la superficie impiden el paso del líquido y
  • Una superficie lubricada con un aceite, lo que provoca un mayor deslizamiento de la gota del agua por la superficie.

Los tres tipos de superficies hidrofóbicas estudiadas en el artículo.
De PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 244503 (2018)

La figura 03 muestra un ejemplo de los tres tipos de superficies. El artículo original está aquí, y salió publicado en la revista Physical Review Letters.

Superficies hidrofóbicas que aguanten sumergidas

Uno de los mayores problemas del transporte de líquidos en general y del transporte en líquidos, es decir, del transporte marítimo, es el alto rozamiento del fluido en estado líquido. De hecho, al transportar líquido por una tubería existe el problema de que una parte importante de la energía que se le proporciona al fluido se tiene que emplear en eliminar el rozamiento del líquido con la tubería que lo transporta.

En ambos casos una solución muy elegante consiste en colocar un fluido en estado gas entre el líquido que se mueve y la superficie sólida contra la que se mueve. Entonces, el rozamiento desciende muchísimo porque lo que roza es el sólido contra un gas y un gas contra un líquido. El problema es «sujetar» el gas cerca del sólido. El muy desgraciado del gas tiene a escaparse hacia el líquido, promoviendo de nuevo ese contacto líquido-sólido que sería deseable evitar.

Una forma de mantener el gas cerca de la superficie sólida es el uso de cavidades de tamaño nanométrico, donde en principio el gas se queda algo más de tiempo. El problema es que al moverse el líquido respecto a la superficie, y simplemente por la presión del líquido, se acaba llenando de líquido la nanocavidad con gas. Hasta ahora, si ahora es el 2014, claro. En el artículo PRL-vol113-136103(2014) se presenta un modelo capaz de predecir si el aire (gas empleado) se quedará atrapado en la ranura empleada o no. Y se demuestra que el modelo es válido con una ranura real.

Según el modelo que se presenta en el artículo, la clave para lograr que una ranura «atrape» aire por un tiempo indefinido (más de 50 días en el experimento) es la altura que el agua, o líquido, tiene sobre la ranura, de forma que hay un altura crítica a partir de la cual se moja la ranura.  Las buenas noticias son que esa altura crítica depende de la anchura de la ranura, las malas que la altura crítica máxima es del orden de los centímetros, lo que dado que un barco se sumerge metros, implica que el uso de estos sistemas para evitar rozamiento queda descartado.

Sin embargo, es un gran experimento que creo interesante reseñar porque presenta datos y modelos sencillos y elegantes para entender un problema muy complejo. La esencia de la física bien hecha. El montaje experimental es el de la figura siguiente:

Montaje experimental. Artículo PRL-Vol311-136103(2014)

La figura de la izquierda muestra una ranura con las dimensiones y convenciones empleadas en el artículo, mientras que en la derecha se observa un esquema del sistema experimental. Con este montaje experimental, observar si la ranura se moja o no es cuestión de explorar imágenes proporcionadas por una cámara ajustada a la lente de la figura anterior, con lo que se obtienen gráficas como la siguiente, donde se muestra lo que pasa con altura de líquido por debajo de la crítica, es decir, con el aire atrapado de manera estable y con una altura por encima de ese valor, lo que implica que el aire no permanece en la ranura:

Permanencia o no del aire en la ranura. Artículo PRL-Vol311-136103(2014)

La forma de medir si hay aire o no es mediante la posición del menisco que se forma en la ranura. La gráfica presenta la distancia máxima de ese menisco desde el comienzo de la ranura hasta su fondo. Cuando llega a unos 80 micras, llega al fondo de la ranura. Fíjense que cuando al altura del agua es superior a la crítica, la ranura se moja, esto es, se vacía de aire en «sólo» ocho horas, mientras que para una altura de agua por debajo de la crítica, la ranura permanece indefinidamente llena de aire. Observen además la fantástica coincidencia entre el modelo y los datos experimentales, que indica que el modelo acierta en sus predicciones.

Para hacer montañas de granos, es importante saber cómo se formó la montaña.

A lo mejor no parece importante, pero un auténtico misterio de la física hasta hace poco era la formación de montones con material granular en caída libre. Es decir, yo dejo caer desde una distancia fija algo en forma granular, y trato de predecir o modelar la forma que tendrá ese montón.  Hasta hace algún tiempo había resultados experimentales y teóricos contradictorios, entre otras cosas porque no hay un modelo claro de material granular: El material granular son pequeñas piezas con formas distintas entre sí y no se sabe muy bien cómo modelar ni la forma del grano, ni la interacción entre ellos.

Piensen que el material en forma granular tiene interacciones entre granos o partículas vecinas que los separa del sólido rígido, que es el equivalente a granos formando un auténtico continuo, como en los metales, y del modelo de partículas rígidas separadas, cuando no hay demasiados granos. Un modelo que daba algún resultado decente es adaptar el modelo de sólido deformable y quizás elástico con propiedades constitutivas propias para el material granular. Es decir, se hace una aproximación de un material en estado discreto por un continuo cuya descripción encaja en los experimentos con diversos materiales granulares.

Este tipo de aproximaciones no ha sido capaz de resolver un problema de la generación de montones: que la distribución de presiones en el centro del montón depende de cómo se haya formado el montón, de forma que si se genera desde un sólo punto de caída del material, aparece una depresión en la base del montón; cuando se genera median una «lluvia», es decir desde múltiples puntos de caída del material, la depresión en el centro no es visible. En el artículo PRL – Vol113 – 068001 (2014) se demuestra que el uso de modelos elastoplásticos que no eran capaces de predecir estos dos resultados sí que funcionan, pero si se usa un modelo matemático que tiene en cuenta la historia del fenómeno para la descripción numérica.

Cuando se simula un sistema tridimensional en un ordenador, hay que hacer una malla tridimensional de puntos en la que se calculan las propiedades del material, presión, densidad, fuerzas, etc. Esta malla puede seguir o no al material en su movimiento. Cuando la malla es fija y el material se mueve dentro de ella, podemos tener en cuanta la historia de este movimiento mejor.

El resultado final es que en simulaciones con dos modelos distintos de materiales elastoplásticos, se observa la caída de presión en le centro de la pila o montón que ya fue observada experimentalmente, como la figura tres del artículo muestra:

Perfiles de presión de pilas de material granular. Del artículo PRL-Vol311-0068001 (2014), figura 3.

En la figura se muestran los perfiles de presión según el material granular caiga en forma de «lluvia», izquierda, o desde un punto, derecha. Ambos están marcados por la relación entre el ancho de la boca y el radio del montón. En el primer caso, R/W0 es 1. Cuando R/Wo es 10, es decir, todo el material cae desde un sólo punto, se puede observar como según el instante de tiempo en el que observemos el perfil de presiones, éste cambia y termina desarrollando la depresión central al final.

 

Hacer agujeros con menos torque en materiales granulares.

Resulta que se ha demostrado experimentalmente que la fuerza ejercida sobre un cilindro rotando sumergido en un medio granular es independiente de la altura del material granular que esté encima del cilindro bajo determinadas condiciones experimentales.

Esto es muy interesante, porque lo que se esperaba es que fuera un fenómeno completamente hidrodinámico, lo que quiere decir que el material granular se comporta casi como si fuera un fluido. si eso es cierto, entonces la cantidad de fluido por encima de cilindro tiene una influencia clara en la presión que se ejerce sobre el cilindro, al «pesar» el material sobre el cilindro sumergido.

Pero resulta que si se hace rotar el cilindro lo suficientemente despacio, el cilindro crea una especie de «cueva», un hueco en el material granular, que provoca que el movimiento del cilindro sea independiente de la altura del medio granular que está por encima. Esto es muy interesante, porque quiere decir que si se desea hacer un agujero en un medio granular, si se rota en taladro lo suficientemente despacio, no hay que hacer tanta fuerza. El motivo es que al no depender la fuerza ejercida sobre el cilindro de la altura de medio por encima, esencialmente se reduce y hace constante el valor de esa fuerza.

Para poder hacer las mediciones utilizaron un sistema muy ingenioso: Mantuvieron fijo el cilindro sumergido en el medio granular y rotaron el contenedor del medio granular, mirar el esquema:

Torque-esquema

Y la siguiente imagen muestra como el torque disminuye mucho si se trabaja lo suficientemente despacio:

Torque-Variacion

Esto es muy interesante no sólo por la física que tiene detrás, sino también porque abre la puerta (de mi imaginación, al menos) a sistemas capaces de taladrar cuerpos celestes compuestos por polvos agregados, al menos superficialmente, con mucha menos potencia y esfuerzo, lo que es importantísimo en misiones espaciales, donde cada gramo de más es muy difícil de justificar.

Enlace al artículo: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.110.138303