Una impresora adaptada para fabricar telas no tejidas por electrohilado
El electrohilado produce fibras muy delgadas al estirar una solución de polímero con un campo eléctrico. Si el punto donde se depositan esas fibras se mueve de forma controlada, el proceso se parece a una impresora. En este proyecto se construyó un prototipo con esa idea: una aguja que se desplaza sobre el carro de una impresora de oficina y un colector cilíndrico que rota. Con él se depositó una tela no tejida de poliéster y se compararon sus fibras con fibras comerciales mediante microscopía electrónica.
Contexto
Una tela no tejida es una lámina de fibras unidas entre sí sin tejido plano ni de punto. En el electrohilado, una gota de solución polimérica en la punta de una aguja se somete a varios kilovoltios respecto a un colector. Cuando la fuerza eléctrica supera la tensión superficial, la gota se deforma en un cono (el cono de Taylor) y emite un chorro que se adelgaza y se seca en el trayecto. Lo que llega al colector es una fibra de escala micro o nanométrica.
El diámetro y la calidad de la fibra dependen de la concentración y conductividad de la solución, del voltaje, del flujo, de la distancia entre aguja y colector y de la humedad ambiente. Como estas variables interactúan, el proceso se ajusta en buena medida por experimentación.
Montaje
Primero se reprodujo el proceso en un montaje de banco para verificar la formación de fibras.
Montaje de banco para las pruebas iniciales de electrohilado
El prototipo integra tres elementos:
- Una fuente de alto voltaje diseñada y construida en un proyecto paralelo del grupo.
- Un colector cilíndrico metálico movido por un motor paso a paso.
- Un soporte de aguja montado sobre el mecanismo de traslación de una impresora Lexmark, que recorre el colector a lo largo de su eje.
Vista superior del prototipo: colector rotatorio y carro de la aguja
La rotación del colector combinada con la traslación de la aguja distribuye las fibras sobre toda la superficie. El colector se cubre con papel aluminio para poder retirar la tela.
Depósito de fibras sobre el colector cubierto con papel aluminio
Resultados
Las muestras se observaron en un microscopio electrónico de barrido y se compararon con fibras comerciales de poliéster para relleno.
Fibras comerciales de poliéster, de unos 50 μm de diámetro
Fibra obtenida con el prototipo, de unos 13 μm de diámetro
Las fibras obtenidas tienen cerca de 13 μm de diámetro, con puntas que se adelgazan hasta unos 5 μm, frente a 50 μm de las comerciales. Su superficie es más irregular y aparecen zonas donde el polímero no alcanzó a formar fibra, lo cual es consistente con un solvente que no se evapora por completo en el trayecto.
Defecto sobre una fibra electrohilada
Vista general de fibras depositadas
Lo que falta
El proceso funciona pero no está controlado. La fuente de alto voltaje no sostenía la operación continua y había que apagarla y encenderla, lo que cambia las condiciones durante el depósito. El flujo de solución no estaba regulado por una bomba, y la acetona usada como solvente resultó demasiado volátil. Con una sola aguja, además, formar una tela toma mucho tiempo.
La autora recomienda una fuente comercial, una bomba de jeringa, control de humedad y varias agujas en paralelo.
Relación con Robiolab
Este trabajo pertenece a la línea de manufactura digital con la que el grupo construyó su capacidad de fabricación, junto con la impresora de estereolitografía DLP. Su conexión con la robótica blanda es directa: las mallas de fibras electrohiladas pueden servir como capas de refuerzo que limitan la deformación de un elastómero en una dirección, o como sustrato para sensores flexibles.