Científicos logran imprimir en 3D piezas de grafito complejas con una pureza del 97 %

Un equipo de investigadores de la Universidad de Rice, Texas, ha desarrollado un nuevo método para fabricar estructuras de grafito complejas mediante la impresión 3D de escritura directa con tinta (DIW).

Los intentos anteriores de imprimir en 3D con grafito generalmente involucraron la integración de una forma en polvo del material en una matriz de polímero. Usando tecnologías basadas en la extrusión, es posible crear estructuras mecánicamente sólidas, pero los compuestos resultantes a menudo solo contienen menos del 50 % de grafito en peso. Como tal, las piezas de grafito impresas en 3D hasta ahora no han ofrecido realmente las propiedades térmicas y eléctricas que hacen que el grafito puro sea tan deseable.

Para abordar el problema, los investigadores de Rice desarrollaron una tinta imprimible en 3D coloidal hecha de polvo de grafito y cantidades minúsculas de arcilla, logrando piezas DIW complejas con una pureza de hasta el 97%.

Grafito: el mineral de los extremos

El grafito se considera uno de los alótropos de carbono más útiles y tiene una gran cantidad de aplicaciones industriales (sí, es más que solo la punta de un lápiz).

Con una estructura atómica 2D en capas, el material es un ingrediente clave en varios lubricantes de alto rendimiento. El grafito también ofrece una excelente estabilidad térmica y química, lo que le permite resistir las condiciones ambientales extremas requeridas para los crisoles de metal fundido y los núcleos de los reactores nucleares. Además, la conductividad eléctrica notoriamente alta del material también lo convierte en un candidato perfecto para baterías, contactos eléctricos e incluso dispositivos electrónicos flexibles.

Desafortunadamente, debido a los desafíos del procesamiento a alta temperatura y la fragilidad intrínseca del material, el uso de métodos de síntesis convencionales para crear piezas geométricas complejas hechas de grafito suele ser extremadamente difícil, un problema que la impresión 3D puede resolver.

Cómo imprimir en 3D piezas con un 97 % de grafito

La tinta de grafito de alta concentración se formuló agregando pequeñas cantidades de nanoarcilla de silicato (3 a 10 % en peso) a un baño de agua lleno de hojuelas de grafito. La nanoarcilla finalmente actuó como agente aglutinante, asegurando que las escamas de grafito se distribuyeran uniformemente en la tinta compuesta resultante. La adición de la arcilla también aumentó significativamente la viscosidad del material, haciéndolo extruible mediante DIW a temperatura ambiente. Por el contrario, se descubrió que una tinta de grafito solo obstruía la boquilla de la impresora 3D, todo mientras se separaba bajo presión.

Cuando se imprimió en 3D, los efectos del aditivo de nanoarcilla fueron muy evidentes en las estructuras 3D finales. Todos los objetos de prueba impresos en el estudio exhibieron una excelente estabilidad estructural y podían soportar su propio peso sin ningún problema, a pesar de ser geométricamente complejos. Incluso después del secado al aire, las piezas lograron conservar sus formas originales con una capacidad mejorada para absorber energía en comparación con una tinta de solo grafito.

El equipo de Rice ya ha utilizado su novedosa fórmula con una pureza del 97 % para varias aplicaciones de grafito. Esto incluye moldes impresos en 3D que se usan para fundir estaño, un circuito eléctrico de grafito que se usa para encender LED y un elemento calefactor impreso en 3D capaz de llevar el agua al punto de ebullición.

Se pueden encontrar más detalles del estudio en el artículo titulado 'Impresión tridimensional de estructuras complejas de grafito'. Es coautor de Seyed Mohammad Sajadi, Shayan Enayat, et al.

El grafito y su forma de una sola capa, el grafeno, son el tema de mucha investigación tanto dentro como fuera del sector de la impresión 3D. Investigadores de la Universidad de Buffalo desarrollaron recientemente un nuevo aerogel de grafeno purificador de agua impreso en 3D capaz de tratar aguas residuales a gran escala. Compuesto por un aerogel similar a la espuma de poliestireno, grafeno reticulado y dos polímeros bioinspirados, el nuevo material es capaz de eliminar tintes, metales y solventes orgánicos del agua potable con una eficiencia del 100 %.

En otro lugar, en la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU, los científicos desarrollaron un conjunto de parámetros para la impresión 3D de estructuras basadas en grafeno con cualidades conductoras optimizadas. Después de una serie de pruebas, el equipo descubrió que, si bien factores como la presión de impresión y el diámetro de la boquilla afectaban las propiedades del compuesto, a velocidades de impresión específicas, sus partículas podían alinearse de una manera específica.

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La imagen destacada muestra estructuras de grafito impresas en 3D mediante escritura directa con tinta. Imagen a través de la Universidad de Rice.

Kubi Sertoglu es licenciado en Ingeniería Mecánica y combina una afinidad por la escritura con una formación técnica para ofrecer las últimas noticias y reseñas sobre fabricación aditiva.