Impressão 4D cria material que volta à forma mesmo em temperaturas extremas | Reprodução
Uma nova pesquisa mostra que a impressão 4D pode funcionar em temperaturas muito mais altas do que aquelas normalmente associadas a polímeros com memória de forma.
Pesquisadores do Indian Institute of Technology Jodhpur, na Índia, desenvolveram um compósito de poliimida termoplástica reforçada com fibra de vidro capaz de ser impresso e depois recuperar uma forma programada quando aquecido.
No primeiro ciclo de testes, o material atingiu 98,70% de recuperação da forma.
Impressão 4D não cria uma quarta dimensão física
Apesar do nome, impressão 4D não significa imprimir em quatro dimensões espaciais.
O conceito parte de uma peça impressa em 3D capaz de mudar de forma ao longo do tempo quando recebe um estímulo.
Esse estímulo pode ser:
- calor;
- água;
- eletricidade;
- luz;
- campo magnético.
Neste caso, o gatilho é térmico.
A peça recebe uma forma temporária e depois, quando aquecida novamente, tenta retornar à geometria original.
Problema sempre foi aguentar calor demais
Grande parte dos polímeros com memória de forma trabalha em faixas térmicas relativamente limitadas.
Isso restringe aplicações em ambientes severos.
A nova pesquisa usa TPI, sigla para thermoplastic polyimide, ou poliimida termoplástica.
Esse tipo de polímero chama atenção justamente pela estabilidade térmica e pela capacidade de funcionar onde plásticos convencionais começariam a perder propriedades.
O problema é fabricar peças complexas com ele.
Poliimida é difícil de imprimir
A poliimida termoplástica apresenta alta viscosidade quando fundida e exige temperaturas elevadas de processamento.
Isso torna a fabricação por FFF, a técnica em que um filamento é derretido e depositado camada por camada, especialmente desafiadora.
Os pesquisadores começaram misturando fibra de vidro à matriz de poliimida.
Depois, produziram o filamento e ajustaram o processo de impressão para reduzir defeitos.
Fibra de vidro reforça o material
A adição da fibra de vidro tem função estrutural.
Ela melhora a rigidez e ajuda a sustentar melhor esforços mecânicos.
Em um estudo complementar publicado recentemente pelo mesmo grupo, uma formulação com 10% em massa de fibra de vidro atingiu resistência à tração próxima de 96 MPa antes do pós-processamento.
Depois do tratamento, o valor passou de 109 MPa.
O material também apresentou temperatura de transição vítrea acima de 250 °C.
Esse é um dos motivos pelos quais ele interessa para aplicações de alta temperatura.
Material guarda uma forma temporária
O processo de memória de forma funciona em etapas.
Primeiro, a peça é aquecida até ficar mais facilmente deformável.
Depois, ela recebe uma nova geometria.
Essa forma é mantida enquanto o material esfria.
Quando aquecido novamente, o polímero tenta retornar ao formato inicial.
Os pesquisadores medem isso com duas grandezas principais.
Uma indica quanto da forma temporária foi realmente fixada.
A outra mede quanto da forma original voltou depois do aquecimento.
Recuperação chegou a 98,70%
No primeiro ciclo, o compósito atingiu:
- 93,33% de fixação da forma;
- 98,70% de recuperação.
Depois de dez ciclos consecutivos, os números diminuíram.
A fixação ficou em 91,62%.
A recuperação caiu para 90,19%.
Portanto, existe degradação de desempenho com o uso repetido.
Ainda assim, os pesquisadores consideram que o material manteve boa estabilidade ao longo dos dez ciclos.
Queda foi de cerca de 8% em dez ciclos
A redução acumulada da capacidade de recuperação ficou em aproximadamente 8%.
Esse dado é importante porque uma estrutura com memória de forma só tem utilidade prática se conseguir repetir o comportamento mais de uma vez.
Um material que funciona perfeitamente no primeiro ciclo e falha logo depois teria uso bastante limitado.
Neste estudo, a resposta continuou presente mesmo após sucessivas deformações.
Garra robótica mostrou aplicação prática
A equipe não ficou apenas em pequenos corpos de prova.
Os pesquisadores imprimiram também uma garra robótica flexível usando o compósito.
A peça foi criada para demonstrar como uma estrutura pode ser fabricada em um formato compacto e depois assumir outra geometria quando ativada.
Segundo o estudo, a garra apresentou boa precisão dimensional, acabamento superficial e atuação estável.
Espaço é um dos alvos da tecnologia
A principal aplicação citada pelos pesquisadores envolve estruturas autoimplantáveis para o espaço.
Esse tipo de componente pode ser enviado dobrado ou compactado durante o lançamento.
Depois, em condições específicas, muda de forma para assumir a configuração final.
A vantagem é economizar volume durante o transporte.
Antenas, suportes e outras estruturas implantáveis são exemplos de áreas que podem se beneficiar desse princípio.
Calor extremo muda as exigências
Usar um material desse tipo no espaço não depende apenas de ele recuperar uma forma.
O material precisa suportar:
- variações térmicas;
- ciclos repetidos;
- esforços mecânicos;
- radiação;
- vácuo;
- envelhecimento.
A pesquisa atual não demonstra que todas essas condições já foram vencidas.
Ela mostra principalmente que o compósito consegue combinar impressão por filamento, resistência térmica e memória de forma.
Ainda existe trabalho até uma aplicação espacial operacional.
Impressão 4D permite levar mecanismo dentro da própria peça
Uma estrutura convencional pode depender de:
- motores;
- engrenagens;
- dobradiças;
- cabos;
- atuadores.
Em uma estrutura com memória de forma, parte desse movimento pode nascer diretamente do material.
Isso reduz componentes.
Também pode simplificar projetos em locais onde mecanismos tradicionais seriam difíceis de instalar ou manter.
A peça deixa de ser apenas estrutural.
Ela passa também a executar uma função.
Material supera sistemas usados em temperaturas mais baixas
Os autores compararam o novo compósito com outros polímeros empregados em impressão 4D de alta temperatura.
Segundo o estudo, a combinação de fibra de vidro e poliimida termoplástica apresentou desempenho competitivo em ciclos repetidos.
O principal diferencial é justamente atuar em uma faixa térmica elevada mantendo capacidade de recuperar a geometria.
Impressão 3D vira 4D quando a peça começa a se transformar
Na fabricação tradicional, a geometria normalmente termina quando a impressora para.
Na impressão 4D, esse é apenas o primeiro estado.
A peça pode ter um segundo comportamento programado.
Ela dobra.
Abre.
Contrai.
Ou recupera uma forma anterior.
Neste estudo, os pesquisadores empurraram essa lógica para materiais que suportam temperaturas muito maiores.
Isso aproxima a impressão 4D de aplicações em que um simples plástico com memória de forma não seria suficiente.
