La impresión 3D ha recorrido un largo camino desde la producción de pequeños silbatos de plástico en su escritorio en ocho horas.
Ahora, la impresión 3D está revolucionando casi todos los sectores, ofreciendo un diseño de precisión y la creación de componentes complejos.
De hecho, el sector del agua no es diferente, ya que la impresión 3D parece destinada a perturbar el mercado de las membranas.
Al poder imprimir membranas a medida con una precisión sin igual, materiales únicos y en una microescala, la impresión 3D abre la puerta a niveles de eficiencia que antes no se creían posibles.
Pero, ¿cuál es el alcance de las membranas de impresión 3D en el sector del agua? ¿Como funciona? ¿Y quiénes son los jugadores clave a seguir?
En nuestro último Tech Dive, Aquatech Online echa un vistazo a las membranas y separadores de impresión 3D:
¿Qué es la impresión 3D?
La impresión 3D es el proceso de producir un objeto tridimensional a partir de un archivo digital.
A veces denominada fabricación aditiva, se crea un objeto colocando capas sucesivas de material hasta que se crea el objeto, lo que significa que cada capa representa una sección transversal del objeto.
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La impresión 3D le permite producir formas y componentes complejos utilizando menos material que los métodos de fabricación tradicionales.
Fue en 1981 cuando el Dr. Hideo Kodama creó una de las primeras máquinas de creación rápida de prototipos que creaba piezas capa por capa utilizando una resina que podía polimerizarse con luz ultravioleta (UV).
Pero no fue hasta 1986, cuando Chuck Hull, considerado el inventor de la impresión 3D, presentó la primera patente de estereolitografía (SLA).
Una breve historia de la impresión 3D
Gran parte de los años 90 vio un rápido crecimiento de la impresión 3D con numerosas empresas que experimentaron con diferentes materiales y tecnologías, pero no fue hasta 2006 que estuvo disponible la primera impresora de sinterización selectiva por láser (SLS) comercialmente disponible.
Sin embargo, fue el proyecto RepRap en 2005 el que tendría el mayor impacto en el crecimiento y la adopción de la impresión 3D.
El proyecto RepRap fue fundado por el Dr. Adrian Bowyer, con el objetivo del proyecto de repensar la fabricación aditiva como una tecnología de bajo costo capaz de autorreplicarse.
Como resultado, nació la primera impresora 3D de bajo costo llamada RepRap y con ella la primera tecnología de impresión 3D de código abierto.
En los últimos años, el 3D se ha convertido en una herramienta casi indispensable para prácticamente todas las industrias; por ejemplo, en 2018, la Estación Espacial Internacional imprimió la primera herramienta en el espacio, utilizando una impresora 3D de baja gravedad.
La impresión 3D se está utilizando para crear; muebles, marcos de anteojos, prótesis, empastes dentales, modelos a escala para arquitectura, accesorios de películas e incluso se utilizan para replicar artefactos antiguos y fósiles, y... espaciadores de membrana.
¿Qué es un espaciador de membrana impreso en 3D?
Los espaciadores de membrana se utilizan en módulos de membrana de ósmosis inversa (OI) enrollados en espiral para mantener las láminas de membrana separadas y para mejorar la mezcla.
Los espaciadores también se utilizan para ayudar a mitigar el ensuciamiento de la membrana al crear turbulencias sobre el flujo de agua de alimentación.
Con el surgimiento de la impresión 3D, ha permitido a las empresas producir espaciadores de alimentación con geometría compleja y mantener una alta precisión.
Un artículo de 2023 publicado en el Journal of Environmental Chemical Engineering analizó el potencial de los espaciadores de alimentación impresos en 3D para reducir la huella ambiental de los procesos de separación por membrana.
Fuente: Journal of Environmental Chemical Engineering
Encontró que en los últimos años los avances en las tecnologías de impresión 3D han llevado a impresoras más rápidas y de mayor precisión con resolución de microescala (>1 µm).
El documento continuó argumentando que los nuevos espaciadores de alimentación son capaces de mejorar la transferencia de masa, reducir la caída de presión del canal de alimentación (FCP) y minimizar la bioincrustación ahora es posible. También descubrí que algunos espaciadores pueden reducir potencialmente el consumo de energía del proceso de filtración, lo que a su vez reduce su huella ambiental.
Sin embargo, el documento señaló que la toxicidad del material de impresión 3D y los mayores requisitos de energía de fabricación siguen siendo preocupantes para el medio ambiente, pero concluyó que, si esto se supera, los espaciadores impresos en 3D reemplazarán a los espaciadores disponibles comercialmente y serán completamente aceptados para la fabricación a gran escala.
¿Quiénes son los jugadores clave?
A pesar de que la tecnología es bastante nueva en el sector, ya estamos empezando a ver cómo surgen los jugadores clave.
Membranas de agua
Al otro lado del charco, en EE. UU., la empresa emergente Aqua Membranes comenzó cuando el fundador de la empresa, Rodney Harrington, experimentó en su garaje con la creación de elementos de ósmosis inversa utilizando tecnología de impresión 3D.
Desde entonces, Aqua Membranes ha seguido desarrollando su idea, pero ha creado una impresora de gran formato diseñada a medida que, según el CEO de Aqua Membranes, Craig Beckham, les permite poner sus patrones en la superficie de la membrana, que él llama el corazón de su innovación. permitiéndoles reducir el desperdicio de energía y agua en el sector del agua.
Fuente: Aqua Membranes
En lugar de usar los espaciadores de malla tradicionales, Aqua Membranes desarrolló sus propios espaciadores 3D patentados llamados ConZerv.
Mientras que la malla actúa como una presa en un río que bloquea el agua y la ralentiza, Aqua Membranes dice que sus espaciadores impresos ConZerv actúan más como rocas en un río que aún ralentizan el agua, pero es más fácil para el agua mantener la velocidad.
La puesta en marcha dice que ConZerv puede reducir el desperdicio de energía al reducir la caída de presión hasta en un 60 por ciento, lo que permite ahorrar en el costo de operación y las emisiones de gases de efecto invernadero.
Aqua Membranes ofrece los elementos en tamaños 4040 y 8040 para adaptarse a sistemas de alto y bajo rendimiento.
En 2021, la empresa estadounidense de fabricación de semiconductores, Micron, anunció su respaldo financiero a la empresa.
Micron planea lanzar un programa piloto utilizando la tecnología de Aqua Membranes en su sitio de Boise en Idaho. Si tiene éxito, este programa podría expandirse a sitios en todo el mundo, dijo la compañía.
“La innovación de ósmosis inversa de Aqua Membranes podría ser una forma elegante y rentable de mejorar los equipos que ya funcionan en las fábricas de Micron al tiempo que aumenta la reutilización del agua”, dijo Marshall Chase, director de sustentabilidad de Micron. “Esto es resolución de problemas a través de la innovación”.
Evove
La empresa con sede en el Reino Unido Evove, anteriormente G2O Water Technologies, ha estado haciendo mucho ruido en el espacio de la impresión 3D.
Fuente: Evove
Su Separonics™ patentado dice que es una tecnología de filtración y separación impresa en 3D diseñada con precisión que proporciona una barrera física que se puede diseñar a medida para cualquier aplicación o cliente.
Por definición, un separonic es una membrana transformadora que puede reciclar agua y recuperar recursos valiosos a un precio reducido.
Los espaciadores se colocan sobre la membrana para que cuando se enrolle en espiral, separe las capas y proporcione una cavidad para que fluya el líquido.
En este contexto, la impresión 3D no se refiere a un pequeño dispositivo que se coloca en un escritorio y tarda dos días en imprimir un silbato. En cambio, será impresión industrial en 3D a escala.
Evove está imprimiendo en 3D sus espaciadores para crear formas únicas utilizando la dinámica de fluidos computacional para modelar el flujo a través de la membrana para optimizar el diseño del espaciador.
En declaraciones a Aquatech Online, Chris Wyres, director ejecutivo de Evove, dice: "Podremos imprimir a escala completa, ocho pulgadas de ancho, 1,8 metros de largo, cualquier longitud realmente, no importa".
"La clave es que podremos imprimir características y estructuras que la fabricación convencional no puede y usar computación de alto rendimiento e IA para optimizar esos diseños para aplicaciones específicas".
A finales de 2021, la empresa firmó un acuerdo de desarrollo conjunto con Meta Additive para producir una solución de fabricación aditiva avanzada para imprimir en 3D sus membranas cerámicas Separonic, con planes de implementación en 2023.
A partir de enero de 2023, Evove firmó un memorando de entendimiento con Saline Water Conversion Corporation, una de las empresas de desalinización más grandes del mundo.
Como parte del acuerdo, la empresa con sede en el Reino Unido proporcionará membranas recubiertas mejoradas y espaciadores 3D que se probarán en una planta desalinizadora en el Golfo para reducir el consumo de energía en el proceso de ósmosis inversa.
Nanosun
Continuando en todo el mundo, la empresa emergente de fabricación de membranas con sede en Singapur, Nanosun, ha creado una instalación de impresión 3D para fabricar membranas de tratamiento de agua.
Nanosun, una empresa derivada de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU), utiliza la fabricación aditiva para crear membranas que, según afirma, son cinco veces más eficientes que el proceso tradicional, que utiliza membranas a base de polímeros y cerámica.
Fuente: Nanosun
La empresa ha desarrollado sus membranas impresas en 3D para su uso en desalinización, gestión de aguas residuales industriales y gestión de aguas residuales municipales.
La puesta en marcha ya ha trabajado dentro de sus fronteras con un gran fabricante de semiconductores y cruzó a China para suministrar sus membranas impresas en 3D en una planta de tratamiento de aguas residuales municipales con una capacidad de 20 millones de litros por día.
Nanosun anunció recientemente que había asegurado un acuerdo de recuperación de agua de 6000 m3/d y un proyecto de mejora del sistema de ósmosis inversa de 1440 m3/d para la eliminación de amoníaco y fluoruro con un fabricante de semiconductores con sede en EE. UU.
Cofundada por el profesor asociado de la NTU, Darren Sun, y Wong Ann Chai, la compañía dice que está buscando el siguiente paso después de que su tecnología fuera validada en Singapur.
Hablando sobre el futuro de Nanosun, el Sr. Wong dijo: “Necesitamos poder proporcionar la solución más rentable para nuestra próxima fase de crecimiento.
"La demanda del mercado internacional de tratamiento de aguas residuales industriales es fuerte, ya que la mayoría de los países no quieren contaminar sus escasos recursos hídricos superficiales y subterráneos".
Nanosun dice que se han invertido aproximadamente $6 millones para abrir su nueva fábrica de impresión 3D.
¿Nueva tecnología, las mismas barreras?
Cualquiera que esté familiarizado con las membranas sabe cuánto tiempo puede tomar para que una innovación sea completamente adoptada por el sector del agua.
Las membranas cerámicas han estado llamando a la puerta del sector del agua durante la última década, pero solo ahora las membranas cerámicas han comenzado a ingresar al mercado de servicios públicos.
Su predecesor, las membranas poliméricas, también se enfrentó a vientos en contra similares a los de la cerámica, con la incertidumbre anclada en cuestiones de robustez, en comparación con el costo.
Pero, ¿los separadores y membranas impresos en 3D enfrentarán desafíos similares al tratar de trabajar con los municipios?
Más allá de las membranas y espaciadores de impresión 3D
La impresión 3D existe desde hace más de 40 años, pero en la última década ha experimentado un crecimiento exponencial.
Sus herramientas y capacidades parecen prácticamente ilimitadas, tanto que se prevé que el mercado de la impresión 3D tenga un valor de 20.000 millones de dólares para 2026, según el especialista en consultoría de impresión 3D industrial, AMPOWER.
El siguiente paso de la impresión 3D para el sector del agua es la diversidad de materiales.
A fines de 2022, United Utilities y los innovadores tecnológicos ChangeMaker3D lograron una primicia en la industria del agua del Reino Unido al demostrar el uso de componentes impresos en concreto en 3D.
En el transcurso de un año, ChangeMaker3D diseñó, imprimió en 3D e instaló una cámara de aguas residuales en una de las instalaciones de prueba de la empresa de servicios públicos en Cheshire en lo que se conoce como 'Printfrastructure'.
El proyecto generó una reducción del 25 % en carbono, un ahorro de costos del 20 % y una reducción del 55 % en mano de obra en comparación con los métodos tradicionales.
La ingeniera jefe (innovación) de United Utilities, Lisa Mansell, al hablar sobre el proyecto, dijo: "Las tecnologías digitales, como la impresión de construcción en 3D, pueden impulsar una construcción eficiente y ayudarnos a alcanzar nuestros objetivos Net Zero para el carbono".
Aplicaciones para la impresión 4D
Justo cuando la impresión 3D parecía ser el nuevo chico del bloque, los científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) desarrollaron un concepto adicional.
Esencialmente, la impresión 4D se refiere a la impresión 3D de objetos que pueden cambiar de forma si entran en contacto con una fuente de energía específica, como la luz, el calor o incluso el agua.
Funciona colocando estratégicamente materiales rígidos y expandibles uno al lado del otro dentro de un componente impreso en 3D.
La tecnología ya se está probando para ver si puede crear tuberías de agua que se reparan automáticamente y que cambian de tamaño en relación con el flujo de agua, o incluso en válvulas de agua a temperatura fría y caliente.
