En el context de la recerca i desenvolupament per impulsar la nostra indústria, sovint només ens arriben les grans xifres de recursos disponibles, però no el detall, a nivell d’enginyeria, sobre en què consisteixen els projectes que demanen ser finançats. Tradicionalment només transcendeixen les grans obres d'infraestructures, o xifres fredes d’aportacions singulars a entitats quin impacte a les nostres empreses desconeixem. Ens quedem, per tant, al nivell de notícies ràpides, sense entendre si es finançarà el que ens cal per fer créixer l’activitat industrial, paràmetre clau per al nostre benestar com a societat. No és la pretensió d’aquest article resoldre aquests dubtes, sinó tan sols exposar, en un àmbit molt concret però estratègic, quines línies de treball existeixen i que es consideren claus des del punt de vista tecnològic. Sí, caI finançament per totes elles, però per a això el primer és saber explicar-nos. Una altra cosa és el que passi als despatxos, però segur que el nostre silenci no ajudarà.
A Catalunya, la impressió 3D (tal com socialment es coneix, i denominada Fabricació Additiva en l’àmbit de l’enginyeria), no ha deixat de donar bones notícies en els darrers anys. Hem aconseguit que el teixit d’empreses vinculades a la impressió 3D sigui rellevant, la qual cosa justificaria l’aportació de recursos per afermar-lo. Això seria matèria per un altre article, i en aquest sentit hi estem treballant des de l’agrupació Base 3D que suma tots els grups de recerca que a Catalunya treballen en Fabricació Additiva, co-finançada amb un 50% pel Fons Europeu de Desenvolupament Regional 2014-20 de Catalunya amb el suport del Departament de Recerca i Universitats. Tenim voluntat de ser hub internacional en impressió 3D i aconseguirem augmentar la creació de llocs de treball quan demostrem que la molta recerca bàsica s’adreça a objectius industrials que les nostres empreses poden entomar.
Novament, us proposem aterrar a la realitat actual, exposant-vos algunes línies de recerca actuals que encaixen en el perfil esmentat:
Primerament volem esmentar un sector sobre el que, malgrat la seva rellevància, hi pesa la sospita de poc tecnològic: la construcció. Apart de l’èxit assolit del procés de digitalització (deixem també la revolució del BIM per un altre article), les oportunitats que estem detectant fent recerca en impressió 3D de formigons són molt grans. Van des de coralls artificials per recuperació de fons marins a elements singulars arquitectònics d’alt valor afegit, que poden incloure sensors IoT embeguts per monitorització intel·ligent d’edificis. Ara només imaginem moltes aplicacions, perquè som al moment de la recerca: investiguem com passar de forma immediata d’una alta fluïdesa a una extremada viscositat en l’instant de deposició per a evitar el col·lapse de capes superposades, o el disseny d’un software que faciliti la no interrupció de l’extrusió tot modelant una trajectòria continua que eviti aturar el flux per evitar pulsacions de volum. Per no parlar d’inventar estratègies per aconseguir estructures de formigó armat, un somni que revolucionaria el disseny estructural a l’edificació. En resum, detectem necessitats i tenim imaginació per resoldre-les, i analitzant patents d’altres països al voltant d’aquestes qüestions veiem que podem anar més enllà, amb la condició que fem pinya entre recerca i indústria per portar les idees del paper als demostradors.
En definitiva, som davant la Construcció 4.0. Amb la recerca en camí, la impressió 3D permetrà:
- A arquitectes i enginyers molta més llibertat per a dissenyar estructures amb noves geometries que serien impossibles de construir amb un procés tradicional.
- Capacitat de fabricar estructures totalment personalitzades sense increment de costos.
- Reducció important de les emissions de CO2 respecte els processos convencionals.
- Potencial reducció del temps i costos respecte les tecnologies tradicionals.
- La valorització de materials residuals/in situ, utilitzant-los com a matèria primera, treballant mitjançant un procés d’economia circular.
Anant a l’altre extrem en quant a aplicacions de la impressió 3D, trobem els progressos en impressió 3D metàl·lica, alimentats per la molta recerca en curs. Hi ha activitat d’investigació en gairebé totes les tipologies d’impressió 3D. Només us citarem tres d’elles: projecció d’aglomerant, extrusió de material i deposició directa d’energia.
Pel que fa a la projecció d’aglomerant, parlem de pols metàl·lica sobre la qual es llença un agent que enganxa la pols on ens convé per formar, capa a capa, la geometria 3D. És una unió provisional: un cop acabat el procés, cal passar per un forn de sinterització. El control de l’efecte de la calor sobre les característiques de la peça implica molta recerca, i el premi és aconseguir equips més ràpids i competitius que l’actual fusió per làser de pols metàl·lica, ara líder en l’exclusiu món (pel cost que té) de les peces metàl·liques fetes en 3D, restringit a productes mèdics (pròtesis personalitzades) o aeroespacials (peces optimitzades ultralleugeres). Tenim un repte clar per veure, en el futur, peces del dia a dia en metall materialitzades amb impressores 3D.
Pel que fa a l’extrusió de material com a procediment per a imprimir peces metàl·liques, el ventall s’obre a diversos camins: filament o gransa de material mixt metall-polímer, pastes carregades de pols metàl·liques. En tots dos casos, es torna a tenir una solució en què l’agent que acompanya al metall permet la conformació d’una peça 3D per capes, i torna a ser obligat el pas pel forn. També a nivell de recerca bàsica s’explora la possibilitat de, directament, fer extrusió de materials 100% metàl·lics. En els tres casos el repte és majúscul, i permet visualitzar la necessitat que els eventuals resultats de la recerca passin a la nostra indústria per fer productes que responguin a necessitats de la societat. Bon moment per recordar com Catalunya va liderar la siderúrgia (“farga catalana”) abans dels descobriments tècnics sobre l’acer que desencadenaren la revolució industrial... i si ens tornéssim a posar a la capçalera?
Finalment, la deposició directa d’energia és fer aportació conjunta d’energia i material per anar formant la peça 3D. Es tracta d’una solució que ja s’utilitzava, de forma manual, per a reparacions de costoses peces fetes malbé, com rotors de tota mena. El pas a digital no sols implica un control robòtic del procés, sinó un ventall de possibilitats mai imaginades en el que tot està per fer. Preneu doncs nota d’aquest acrònim: WAAM, Wire Arc Additive Manufacturing, que no vol dir altra cosa que la soldadura tradicional per arc transformada ara en procediment d’impressió 3D.
Per acabar, reprenem el segon concepte anterior, el d’extrusió de pastes, com a medi per a qualsevol material, sigui metàl·lic o no. Parlem formalment de ‘Direct Ink Writing’ basada en sistemes especials d’extrusió de tintes i pastes per a un ampli ventall d’aplicacions científiques i industrials. Imaginem aplicacions per a la nova mobilitat sense combustibles fòssils, com llits de catalitzadors o parts de cel·les de combustible, i també implants de teixit biològicament compatibles que, actualment, són l’aplicació més desenvolupada a través d’aquesta tecnologia. Com a exemple, al CIM UPC ens trobem materialitzant, per encàrrec de grups de recerca d’universitats i d’empreses, equips pilot d’impressores 3D per validar nous materials i aplicacions. Només a l’àmbit de la nova medicina personalitzada, on els reptes a resoldre salven vides, fem recerca sobre la imprimibilitat de materials líquids i biocompatibles, en la impressió 3D de dispositius mèdics implantables mitjançant l’ús de diversos materials, així com en la impressió 3D de prototips d'assaig quirúrgics. O un altre punt revolucionari amb impacte sobre la reducció d’assaig en animals a la recerca mèdica: la impressió 3D de bastides (“scaffolds”) per a cultiu de cèl·lules a fi que tinguin les mateixes condicions que teixits vius (“organ on a chip”).
Ens acaba sorprenent la varietat d’aplicacions que pot haver sobre una mateixa tecnologia. Hem passat d’una escala de metres a la construcció, a una escala de micres a la biotecnologia, i aquí tornem al principi: poques vegades trobem un cas de tecnologia tan transversal, i amb tant potencial. Ens acompanyeu?
