DMH: Dispositivo de mezcla homogénea y dosificación continua de partículas

El cada vez más conocido proceso de fabricación aditiva FDM (Fused deposition modeling), es el principio por el que trabaja la mayoría de las impresoras 3D domésticas o de oficina, y se basa en la deposición de capas de material fundido apiladas sobre una cama de trabajo. Estas impresoras constan normalmente de un cabezal calefactado, el cual empuja un filamento de plástico a través de la boquilla a la temperatura adecuada, conformando la pieza que se ha diseñado. Cuando se fabrican piezas con esta tecnología se debe predefinir con qué materiales se va a hacer, y qué parte se hace de cada material, lo que permite fabricar piezas multimateriales, pero con fronteras intermedias entre un material y otro.

Por otro lado, otro concepto clave es el de FGM (Functionally Graded Materials). Cuando se habla de este tipo de materiales se refiere a la fabricación de piezas de distintos materiales, pero donde la transición entre un material y otro se hace de forma gradual. Esto implica que, al no existir fronteras entre ambos, el cambio de características físicas y de resistencias también se hace de forma gradual, abriendo un sinfín de nuevas opciones. Esto resulta interesante, por ejemplo, para el ámbito aeroespacial, donde se necesita cierta resistencia térmica para la reentrada de elementos en La Tierra, pero también una determinada resistencia mecánica. En este caso, para evitar la fractura en la unión entre diferentes materiales, se comenzaron a fabricar piezas que cambiaban de un material a otro de forma gradual, amortiguando las dilataciones producidas al reentrar en La Tierra.

De esta manera, el mezclado homogéneo de materiales se ha convertido en algo presente en multitud de campos, desde la construcción a la química básica; pero cuanto más se reduce la escala de estas partículas, más fuerzas entran en acción, dificultando la tarea. Un ejemplo de ello es el proceso de mezcla de polímeros con aditivos, en el cual, en muchas ocasiones, parámetros tan simples como la humedad, la temperatura o el propio tamaño de las partículas hace imposible esta labor, o lo hace con un sobrecoste significativo.

Para la impresión en 3D, por tanto, se necesita elegir un material determinado, con características físico-químicas concretas y, aunque se recurra a los materiales FGM que, como se ha dicho, se depositan gradualmente permitiendo la transición de un material a otro, sigue existiendo el problema del control del material depositado en cada momento, según la coordenada exacta de la pieza en cada momento.
Con el fin de garantizar el control de esa deposición del material adecuado, el Grupo de Investigación en Fabricación Integrada y Avanzada de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, ha concebido la presente invención, cuya finalidad es eliminar factores que lastran el proceso de mezcla homogénea, permitiendo mezclar materiales micrométricos con precisión y de forma controlada.

Este dispositivo consta de tres partes diferenciadas, la primera de ella es el cabezal de extrusión, el cual va integrado con la segunda, el ciclón mezclador, y, por último, el sistema regulador de mezcla. Además, dado que el sistema está compuesto por módulos, se puede cambiar el tercer módulo (extrusor) por otros elementos que den un abanico más amplio de usos a la invención, siendo adaptable a otros ámbitos incluso fuera de la impresión 3D.

El funcionamiento de la invención es el siguiente: se toma como ejemplo dos materiales cualesquiera en forma de polvo (podría ser también un material y un aditivo), que se coloca en los depósitos de dos sistemas de mezcla. Estos sistemas constan de una aspiración de aire limpio con una llave de regulación que llega a un tubo Venturi. Regulando el caudal de esta entrada, se regula también la cantidad de polvo absorbido y empujado al ciclón mezclador. Al regular la cantidad de cada material que entra al ciclón mezclador, se consigue que el polvo introducido se mezcle instantáneamente en las proporciones adecuadas y, automáticamente, sea utilizado por el cabezal extrusor para su deposición en la impresora.

De esta forma, se puede imprimir estructuras porosas con control espacial del material depositado, lo que hace posible la fabricación de materiales graduales con tecnologías de impresión 3D basadas en extrusión de material para la regeneración celular en el campo de la medicina regenerativa, circuitos impresos recubiertos con un proceso directo, elementos resistentes a la abrasión solo en donde hay contacto, y, así, un largo etcétera.