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Impressão em 4D

Laboratório emprega materiais inteligentes e acrescenta dimensão a produtos impressos em 3D

Cortesia do Laboratório MIT & Stratasys Self-Assembly
Por Larry Greenemeier 

Os maiores avanços na produção não reside na tecnologia para manipular materiais, mas nos próprios materiais. Esse é o raciocínio por trás da “impressão 4D”, uma abordagem experimental à produção que expande o conceito de impressão 3D.

Em vez de construir itens tridimensionais a partir de camadas de plásticos ou metais, a impressão 4D emprega materiais dinâmicos que continuam a evoluir em resposta a seu ambiente.

Essa nova dobra no movimento de produção foi conquistada no Laboratório de AutoMontagem do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, onde o diretor Skylar Tibbits e sua equipe estão fazendo experimentos com os chamados “materiais programáveis”. Os pesquisadores imprimem objetos usando uma impressora 3D e depois observam enquanto a quarta dimensão – o tempo – assume o comando e os materiais mudam de forma ou se regorganizam automaticamente em novos padrões.

Melhorias em softwares, computadores e processos de montagem permitiram mais projetos completos e maior automação para transformar projetos em coisas reais. Tibbits, no entanto, vislumbra um cenário em que os próprios materiais contêm as informações necessárias para a automontagem, economizando tempo e dinheiro dos produtores.

Scientific American falou com Tibbits sobre seus esforços para levar a impressão 3D a novas dimensões. [Segue uma transcrição editada da entrevista.]

Sua formação é em arquitetura, projetos computadorizados e ciência da computação. Como o senhor se interessou por materiais automontantes?

Eu estava produzindo estruturas e instalações experimentais e fazendo exibições em galerias de todo o mundo, e isso me levou a pensar mais sobre os materiais envolvidos. Não estava necessariamente tentando inventar novos materiais, mas combinar materiais existentes de maneiras inteligentes.

Parte do meu trabalho era desenvolver programa usados para projetos digitais. Se podemos programar uma máquina, porque não podemos programar objetos para que assumam sozinhos uma determinada forma?

Que tipos de materiais “inteligentes” já existem?

Meu exemplo favorito é um termostato antigo, não  digital. Se você tirar a cobertura desse termostato, existe uma mola com uma faixa bimetálica. Você tem dois metais colados, com taxas de expansão diferentes. Quando ocorrem mudanças repentinas de temperatura, a mola se vira para a esquerda ou para a direita. Isso muda o ponteiro para aumentar ou diminuir o calor. Não existe motor ou sensor tradicional. É só o material que se expande e contrai para mudar o ponteiro.

Outro material inteligente que já existe há algum tempo é o nitinol (níquel-titânio), uma liga com memória de forma usada em próteses e outras tecnologias biomédicas. Você tem um fio com memória, que assume uma certa forma quando aquecido. Quando você passa uma corrente elétrica pelo nitinol, ele muda de forma, o que permite que você insira dispositivos médicos feitos desse material em espaços estreitos do corpo. Além de metais, também existem polímeros com memória de forma – também chamados de “plásticos inteligentes” – usados em várias aplicações de pequena escala.

O senhor está fazendo experimentos com esses materiais ou está criando seus próprios materiais programáveis?

Usamos alguns desses materiais, mas tentamos não depender deles porque são caros e já vêm com propriedades definidas. Nós preferimos usar materiais comuns como plásticos, metais, e madeiras, e combiná-los de maneiras inteligentes. Nossa estratégia com a impressão 4D foi combinar e imprimir esses materiais com espessuras e orientações diferentes. Materiais mais espessos mudam de propriedades mais lentamente depois de impressos, mas se provaram mais fortes, enquanto materiais mais finos mudam rapidamente mas são mais fracos. Quando combinadas, essas propriedades materiais diversos reagem de maneiras diferente ao ambiente – se forem colocados so a luz, na água ou em algum outro meio – de modo que poderiam imitar o movimento de dispositivos montados por máquinas, que usam atuadores, motores e sensores.

Quando o senhor fala sobre materiais programáveis contendo informações sobre o processo de montagem, a que tipo de informações o senhor se refere?

Essa informação está entre as propriedades de um material, sua forma (ou geometria) e a quantidade de energia usada para iniciar a automontagem. Um de nossos materiais, por exemplo, tem propriedades que fazem com que ele se expanda e mude de forma quando é colocado na água. Para manter o controle sobre como o material muda, nós o projetamos com uma geometria específica que determina a direção, o número de vezes e os ângulos em que ele vai se curvar. Agora precisamos tornar o material mais intuitivo de usar e mais fácil de controlar.

Como o senhor programa esses materiais para se comportarem de maneiras previsíveis?

Os materiais são projetados com base na energia que precisam para se automontarem. Só se aprende a quais limiares de energia eles responderão e como reagirão ao testar vários deles e em seguida quantificar os resultados. Nós imprimimos uma faixa com mais de 15 metros de nosso material e a colocamos em uma piscina por duas razões: para estudar as alterações que ela sofre quando submersa e para determinar se poderíamos trabalhar com estruturas muito grandes. Parte da faixa foi feita com um plástico negro e rígido que determinou sua geometria, seus ângulos e a orientação que assumiria quando se modificasse. A faixa também era composta de uma segunda fita de plástico branco que expande 150% quando colocado em água. É essa reação que faz a faixa se dobrar.

Quais são os maiores desafios da impressão 3D, e como a impressão 4D os aborda?

Dois dos problemas com a impressão 3D são o tamanho reduzido disponível para a maioria das impressoras e a dificuldade de produzir objetos que exijam componentes eletrônicos integrados. Nós abordamos o primeiro problema ao imprimir nossa faixa de 15 metros no espaço de um cubo de 12,7 cm. Para resolver o segundo problema, nós usamos materiais multifuncionais projetados para se comportarem como se tivessem sensores e atuadores, para que não seja preciso adicionar esses eletrônicos ao dispositivo impresso.

É necessário ter equipamentos especiais para fazer impressões 4D ou é possível usar uma impressora 3D padrão?

É muito mais fácil fazer impressões 4D com uma impressora multimaterial, como a Stratasys Connex que usamos. Esse sistema asperje gotículas de um material de fotopolímeros como uma impressora jato de tinta e as banha com luz ultravioleta. A impressora Stratasys deposita dois materiais diferentes ao mesmo tempo. Pode haver um meio de imprimir objetos 4D usando uma máquina que só trabalhe com um material, mas assim você dependeria muito mais da geometria projetada no material.

Além da faixa autodobrante de 15 metros, que outros objetos 4D já foram criados? E o que vem a seguir?

Também existe uma folha plana que se autodobra em um cubo quando mergulhada em água. [Ela demora cerca de 20 minutos para se dobrar, dependendo da temperatura da água.] Estou interessado em aplicar essas propriedades a alguns produtos do mundo real, porque queremos mostrar que isso não é apenas um truque de mágica. [Veja o vídeo ao final]

Não posso dizer com quem estamos trabalhando, mas uma área fundamental para essa tecnologia é a de roupas e equipamentos esportivos. Existe interesse porque todas as grandes empresas de roupas esportivas investem muito na manufatura aditiva, e elas querem trabalhar com materiais de alto desempenho.

Existem muitos, muitos aspectos das indústrias marinha, aeroespacial e automotiva que dependem da forma como um parâmetro fundamental para o desempenho, mas não estamos trabalhando nisso. Tudo se resume a reduzir a resistência e aumentar a eficiência. Conforme o ambiente muda, as formas precisam mudar. Na área automotiva poderiam ser pneus. Existem pneus diferentes para tipos diferentes de estradas e condições de direção, seja para carros de corrida ou off-road. A diferença entre eles está relacionada à forma, aderência e espessura do pneu.

Quais são os maiores desafios para desenvolver roupas esportivas e pneus inteligentes e qualquer coisa que possa sair da impressão 4D?

Há muito o que fazer. Uma área é a de ferramentas de design, e nós estamos trabalhando com a Autodesk [uma produtora de software de design 3D] nesse assunto. Precisamos também de aperfeiçoar propriedades materiais. Os materiais que testamos até agora funcionam, mas quanto tempo eles durariam se fossem usados em um produto? E será que eles teriam o desempenho necessário com o passar do tempo? No momento, os materiais programáveis que temos provavelmente não estão prontos para o mercado. Outro desafio é simplificar o processo 4D. Nós precisamos ter uma avaliação quantitativa do possivel desempenho de um material.  

Além destas questões está o fato de sermos um laboratório de pesquisa. Nosso trabalho é avançar o conhecimento e descobrir coisas novas. Não desenvolvemos produtos novos; nós dependemos da indústria para isso. O desenvolvimento de novas aplicações da impressão 4D depende da forte colaboração com empresas interessadas em perseguir essa tecnologia.

 

Vídeo: http://vimeo.com/64926672