Avances recientes en la impresión 3D de dispositivos EES (Electrochemical Energy Storage o dispositivos de almacenaje de energía eléctrica)

Venkat Mallela (venkat_mallela@yahoo.com), Rafael Aguirre (rafael.aguirre@ciqa.edu.mx ), Felipe Avalos, Francisco José González. Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Coahuila, 25280, Saltillo, COAH, México; Centro de Investigación en Química Aplicada, CIQA−CONACYT, 25294, Saltillo, COAH, México

En este trabajo se presentan los avances recientes en la impresión 3D de dispositivos EES. Se detallan dos de las tecnologías de impresión 3D principales, incluida la transferencia directa de material (en estado fundido o en solución) y la impresión por inyección de tinta. Las características de deposición directa de material de estos dos procesos permiten imprimir en una variedad de sustratos planos y flexibles, lo que los adapta bien a aplicaciones tales como dispositivos portátiles e integraciones en microprocesadores y microelementos eléctricos.

Para los dispositivos EES con electrolitos de estado sólido (por ejemplo, baterías de iones de litio o de litio-azufre), los separadores de polímeros mesoporosos a menudo sirven para este propósito. Los enfoques prevalecientes para la fabricación de productos electrónicos elásticos blandos emplean motivos conceptualmente diferentes. Un enfoque utiliza materiales electrónicos de alto rendimiento en geometrías no convencionales para lograr diseños delgados, flexibles y estirables (Khang et al., 2006; Kim et al, 2010), como se muestra en la figura 2. En este enfoque, los métodos de microfabricación convencionales se combinan con enfoques como la impresión por transferencia para crear matrices de baterías estirables (Xu et al., 2013). El enfoque alternativo es imprimir completamente con dispositivos 3D, materiales blandos y componentes para crear dispositivos con motivos estirables, utilizando compuestos conductores (Chun et al., 2010; Sekitani et al., 2008, 2009; Takei et al., 2010), metales líquidos (Park et al., 2012; Koo et al., 2011) y líquidos iónicos (Chen et al., 2014; Ota et al., 2014; So et al., 2009).

La fabricación de piezas por FDM (formado por deposición en fundido), así como la fabricación de filamentos fundidos (FFF), son considerados procesos de manufactura aditiva, los cuales se originan de los procesos de extrusión de materiales en transformación de plásticos. En FDM, una pieza se construye depositando por capas un material fundido/plastificado en una ruta definida mediante un software, y se forma capa por capa. Los materiales utilizados normalmente son polímeros termoplásticos o compuestos de estos y se presentan en forma de filamento por la conveniencia del proceso. Con la impresión FDM como base, las tecnologías de aditivos multiproceso generalmente tienen un menor rendimiento en comparación con los métodos tradicionales. Sin embargo, ahora son posibles nuevas geometrías impresas en 3D y la fabricación aditiva tiene sus propias ventajas; por ejemplo, la eliminación de herramientas permite la personalización masiva a través de la cual se puede personalizar cada pieza de producción, y la cantidad de trabajo requerido se reduce significativamente con la metodología sin ensamblaje. El desempeño mecánico de las estructuras producidas por algunos de los procesos aditivos lucha en el área de la resistencia anisótropa.

El Warping o alabeo, es uno de los problemas más comunes en FDM y comúnmente ocurre en materiales semicristalinos con alto factor de contracción. Cuando el material extruido se enfría durante la depositación, sus dimensiones disminuyen. A medida que las diferentes capas de la impresión se enfríana diferentes velocidades estos dan una diferencia de formado térmico, y debido a ello, sus dimensiones también cambian de forma no controlada. El enfriamiento diferencial (DF), provoca la acumulación de tensiones internas que tiran de la capa subyacente hacia arriba, lo que hace que se deforme, y si relacionamos la forma del producto con el rendimiento eléctrico es claro que dará cambios no deseados en el producto formado (Murr et al., 2012). La deformación se puede evitar mediante un control más estricto de la temperatura del sistema, las velocidades de depositación, las condiciones del medio ambiente y por último el proceso de formado del producto, es decir, primero se forma una sección que acumula calor y luego esta el extrusor que se cambia de lado de manera que el calor latente se reduzca significativamente en el proceso de adición. Existen otras maneras de reducir el alabeo visual como son el aumento en la adhesión entre la pieza y la plataforma de construcción, pero ello no reduce el estrés de la parte.

Existe un nuevo método, conocido como impresión 3D híbrida, para producir componentes electrónicos blandos. Específicamente, este método combina escritura directa con tinta (DIW) con selección y colocación automatizada (P + P) de componentes electrónicos de montaje en superficie dentro de una única plataforma de fabricación.

La impresión 3D demuestra una excelente flexibilidad del proceso y capacidad de control de la geometría. La impresión 3D cubre un amplio espectro de materiales, desde solución líquida, polvo, filamento y laminado. Estas formas versátiles podrían facilitar el dopaje de nanomateriales favorables desde cero dimensionales (0D) como las nanopartículas recubiertas de carbono hasta unidimensionales (1D) como los nanotubos de carbono y bidimensionales (2D) como el grafeno.

Los materiales comunes utilizados en FDM son filamentos de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) y el ácido poliláctico (PLA). Para utilizar piezas impresas FDM como electrodos, se deben incorporar materiales activos conductores en la matriz ABS o PLA. Tanto el ABS como el PLA se han modificado para funcionar con grafeno para la investigación de conductividad que tiene potencial para aplicaciones de electrodos (Wei et al., 2015; Zhang et al., 2016).

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“La fabricación aditiva o impresión 3D podría reindustrializar zonas que perdieron su tejido industrial”

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