De todos los métodos de fabricación y creación de prototipos, la impresión 3D es, por mucho, de la que más se habla en los medios, la más usada en proyectos en línea y la más accesible para todos. A pesar de que la tecnología parece ser nueva, la impresión 3D se remonta a la década de los 80, cuando una empresa denominada 3D Systems presentó una solicitud de patente para la construcción de modelos 3D mediante estereolitografía.
El motivo por el cual las impresoras 3D están disponibles para usuarios domésticos recién ahora se reduce a que el uso de dichas patentes evitó su desarrollo, fabricación y distribución. Este también es un excelente ejemplo de cómo las patentes pueden evitar el avance de la tecnología, lo que expone un argumento contra su uso. Por tanto, la tecnología está disponible desde la década de los 80, pero se tardó tres décadas para lograr un mayor desarrollo.
La mayoría de las impresoras 3D operan mediante el empalme de muchos cortes 2D horizontales pequeños de un diseño 3D y, luego, la impresión de cada corte 2D sobre el otro. Las impresoras 3D más comunes usan un termoplástico que se enrolla en un carrete y que, luego, se expulsa de una boquilla caliente. Algunas impresoras 3D pueden crear dichos modelos con papel: se corta cada capa del papel y, luego, se pega a la siguiente capa. Algunos sistemas más sofisticados pueden usar el sinterizado por láser de polvo metálico.
¿Qué son los componentes electrónicos impresos en 3D?
Los componentes electrónicos impresos en 3D se refieren a aquellos componentes electrónicos que se fabrican mediante un proceso aditivo con una impresora. Sin embargo, el término “componentes electrónicos impresos en 3D” se puede malinterpretar con facilidad, dado que algunas personas pueden considerar que los componentes electrónicos impresos en 2D no están impresos en 3D.
La verdad es que la mayoría de los componentes electrónicos impresos en 2D (si no es que todos) son 3D, y esto se reduce a la necesidad de colocar múltiples capas una sobre la otra. Lo mismo ocurre con los transistores en los semiconductores; aunque los transistores se consideran 2D, en realidad, son estructuras 3D que requieren procesos aditivos y sustractivos para su acumulación (como la compuerta, la fuente y las capas de aislamiento).
Hasta la fecha, la mayoría de los componentes electrónicos impresos tienen poca aplicación práctica y rara vez se usan en el mundo real. Esto se debe a que la fabricación de componentes electrónicos tradicionales es más fácil, barata y fiable. Sin embargo, existe una cantidad significativa de investigaciones que se llevan a cabo para probar y crear dispositivos prácticos. Los investigadores ya crearon resistores, capacitores, diodos y transistores mediante métodos de impresión 3D y, aunque se usan muchos materiales diferentes, por lo general, se fabrican con grafeno o un polímero orgánico. El grafeno proporciona a los investigadores la capacidad de crear compuertas y canales estrechos, además de permitir el dopaje (esencial para cambiar la conducción del grafeno). Los polímeros orgánicos se pueden dispensar con facilidad en forma de solución (lo que los hace ideales para impresoras de inyección de tinta), además de proporcionar flexibilidad.
Ejemplos de componentes electrónicos impresos
A pesar de que se realizan muchas investigaciones sobre los componentes electrónicos impresos, su aplicación comercial es poco frecuente, dado que sus capacidades ni se acercan a los sistemas electrónicos estándar. Asimismo, la impresión de componentes electrónicos aún está en sus inicios y, por tanto, este tipo componentes se encuentra en laboratorios de investigación o prototipos. Cuando hablamos de tecnologías que probablemente serán prácticas, se destacan dos en particular: PragmatIC y Duke University.
PragmatIC
PragmatIC es una empresa británica que produce soluciones electrónicas impresas para aplicaciones de un solo uso y dispositivos electrónicos desechables, como etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID). Una de las características significativas de los dispositivos de PragmatIC es que la empresa usa un substrato flexible, lo que hace que los dispositivos resultantes sean flexibles por completo. Asimismo, la tecnología electrónica flexible de la empresa abarca todos los componentes esenciales, incluidos los resistores, los capacitores y los transistores. Aunque no se pudo demostrar un dispositivo funcional por completo, PragmatIC produjo una hoja de procesos esenciales ARM con su proceso y afirma que cada dispositivo consumió 21 mW, con una eficiencia energética de tan solo 1 %.
Lo que hace que los dispositivos de PragmatIC sean diferentes a los métodos de construcción de semiconductores estándar es que se imprimen en lugar de fabricarse mediante pasos de procesamiento intensivo como aquellos que se usan en fundidoras de semiconductores. Además, mientras que los componentes electrónicos de PragmatIC se crean capa por capa, el uso de químicos orgánicos y transistores de película delgada abren camino a los dispositivos funcionales por completo que se podrían crear mediante un equipo similar a una impresora 3D estándar.
Duke University
Duke University presenta uno de los ejemplos más sólidos de componentes electrónicos impresos prácticos que superan el ciclo de vida típico de un producto. En 2021, Duke University demostró un método nuevo para la creación de componentes electrónicos impresos, incluidos los resistores, los capacitores y los transistores, mediante el uso de un método aditivo similar al de las impresoras 3D. Los componentes se construyen a base de carbono mediante un sistema de rociado en aerosol (es decir, similar a la tecnología de inyección de tinta), y se crean capas de aislamiento con celulosa.
Los investigadores no solo pueden imprimir componentes en un pedazo de substrato flexible, sino que también pueden agregar capas de aislamiento, lo que puede conducir a la adición de más dispositivos encima a fin de crear un verdadero circuito 3D. A pesar de que los transistores que desarrolló el equipo son muy grandes (de milímetros en lugar de micrómetros), son funcionales por completo y operan incluso cuando se manipulan de forma mecánica.
La característica más prominente de los circuitos impresos es que los diseños se pueden reciclar por completo. El uso de compuestos orgánicos y grafeno permite a los investigadores disolver circuitos antiguos y recuperar las tintas para su reimpresión. Esto podría hacer que, en el futuro, los componentes electrónicos impresos sean reciclables por completo y no se requiera el uso de vertederos cuando se reemplacen con dispositivos nuevos.
Aplicaciones prácticas de los componentes electrónicos impresos en 3D
Para comprender las posibles aplicaciones de los componentes electrónicos impresos en 3D, primero tenemos que reconocer sus ventajas:
- Permite la creación rápida de prototipos de circuitos.
- Permiten la personalización completa del diseño final.
- Podrían permitir que se apilen diseños (es decir, crear piezas activas en todas las dimensiones).
- Eliminan la necesidad de procesos muy complejos.
- Podrían reciclarse por completo.
La primera aplicación potencial para los componentes electrónicos impresos en 3D es la capacidad de crear diseños personalizados en ubicaciones remotas. Por ejemplo, las impresoras 3D pueden ser clave para futuras misiones espaciales que tienen la finalidad de colonizar cuerpos extraterrestres como Marte y la luna. Dichos sistemas permitirían a los colonizadores crear sus propios productos electrónicos sin tener que depender de la Tierra para producir circuitos integrados (IC) y otros componentes.
La capacidad de crear diseños con rapidez puede hacer que la impresión 3D de componentes electrónicos sea ideal para reparaciones y reemplazos de emergencia. Por ejemplo, embarcaciones navales y campamentos con base militar pueden usar sistemas de impresión 3D para reemplazar y reparar defectos en equipos clave. Dado que los entornos militares pueden ser hostiles y de difícil acceso, es posible que la capacidad de enviar piezas de reemplazo se vea comprometida; por tanto, cualquier instalación o plataforma militar equipada con impresoras 3D podría representar una ventaja.
Con los avances de la tecnología, los fabricantes discontinúan aquellos componentes electrónicos más antiguos que ya no son de uso extendido. A pesar de que esto no afecta a los diseños modernos, los sistemas antiguos que aún son necesarios (como centrales eléctricas e infraestructura crítica) pueden ser vulnerables a la discontinuación de componentes. El uso de la impresión 3D de componentes electrónicos podría permitir la impresión de dichas piezas y, así, garantizar que los sistemas antiguos continúen en funcionamiento mientras se consiguen alternativas.
Uno de los principales potenciales que tiene la impresión 3D de componentes electrónicos es la capacidad de combinarse con las impresoras 3D comunes. Un diseño de boquilla múltiple podría imprimir plástico y componentes estructurales al mismo tiempo, lo que, básicamente, permite crear un diseño completo en un solo paso. Los componentes electrónicos se pueden integrar con facilidad a cualquier pieza de una estructura impresa en 3D, incluidos los componentes y los cables, lo que crea diseños que, en la actualidad, son demasiado difíciles de fabricar. Esto también podría permitir que se impriman componentes de manera vertical sobre paredes y que los ingenieros usen las tres dimensiones en lugar de solo dos en una placa de circuito impreso (PCB).
Por qué debemos controlar nuestras expectativas de la impresión 3D de componentes electrónicos
Aunque la idea de la impresión 3D de componentes electrónicos suena fascinante y prometedora, es importante controlar las expectativas. De todos los desafíos que supone la impresión 3D de componentes electrónicos, el mayor, sin dudas, es que tiene una densidad de transistor muy pequeña. Esto significa que sus capacidades de procesamiento de datos son significativamente inferiores a las de los procesadores modernos y, por tanto, no se consideran prácticos para dispositivos comerciales.
Como tal, es poco probable que los componentes electrónicos impresos en 3D alguna vez reemplacen a los dispositivos de silicona. Los procesos de fabricación actuales son muy eficientes en cuanto a la producción de componentes electrónicos a precios sumamente bajos. Los procesadores modernos se pueden vender por cientos de dólares, pero la mayoría de los microcontroladores se venden por menos de un dólar. Con el paso del tiempo, dichos procesadores modernos bajarán de precio y serán lo suficientemente baratos para implementarse en equipos de uso cotidiano.
Otro desafío que enfrenta la impresión 3D de componentes electrónicos puede ser lo que afecta a las impresoras 3D en general: la estructura de sus diseños es débil. Es cierto que las piezas impresas en 3D se pueden hacer de metal y las piezas impresas en plástico son más sólidas de lo que aparentan, pero son, en esencia, prototipos. Una pieza moldeada inyectada en plástico siempre ganará frente a una impresa en 3D, ya que el sistema de impresión 3D requiere de capas. Por ejemplo, el plástico en cualquier capa individual es muy sólido, pero el plástico en capas adyacentes no se funde por completo, lo que crea bordes de grano. Por tanto, cualquier fuerza a lo largo de las capas de un diseño impreso en 3D puede provocar que se corte con facilidad. Los mismos efectos pueden afectar a los componentes electrónicos impresos en 3D, en especial, a aquellos que se crean mediante capas.
Conclusión
La impresión 3D de componentes electrónicos aún está en sus inicios, pero no cabe duda de que lo que los investigadores están desarrollando es muy emocionante. Sin embargo, es poco probable que dicha tecnología comience a reemplazar a los componentes electrónicos a nivel comercial durante las siguientes décadas. Es más probable que los componentes electrónicos impresos en 3D se usen en aplicaciones de nicho, como antenas impresas en teléfonos inteligentes o etiquetas de RFID en productos, dado que estas aplicaciones son mucho menos demandantes que los procesadores o memoria.
