Como a impressão 3-D se tornou uma tecnologia dominante, pesquisadores da indústria e acadêmicos têm investigado estruturas imprimíveis que se dobram em formas tridimensionais úteis quando aquecidas ou imersas em água.

Em um artigo publicado no jornal da American Chemical Society Materiais Aplicados e Interfaces , pesquisadores do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial do MIT (CSAIL) e colegas relatam algo novo:uma estrutura para impressão que começa a se dobrar assim que é retirada da plataforma de impressão.

Uma das grandes vantagens dos dispositivos que se dobram sem nenhum estímulo externo, os pesquisadores dizem, é que eles podem envolver uma gama mais ampla de materiais e estruturas mais delicadas.

"Se você quiser adicionar eletrônicos impressos, você geralmente usará alguns materiais orgânicos, porque a maioria dos eletrônicos impressos dependem deles, "diz Subramanian Sundaram, um estudante de pós-graduação do MIT em engenharia elétrica e ciência da computação e primeiro autor do artigo. "Esses materiais costumam ser muito, muito sensível à umidade e temperatura. Então, se você tem esses eletrônicos e peças, e você deseja iniciar dobras neles, você não gostaria de mergulhá-los na água ou aquecê-los, porque então seus eletrônicos vão se degradar. "

Para ilustrar essa ideia, os pesquisadores construíram um protótipo de dispositivo auto-dobrável para impressão que inclui fios elétricos e um "pixel" de polímero que muda de transparente para opaco quando uma voltagem é aplicada a ele. O dispositivo, que é uma variação do "goldbug para impressão" que Sundaram e seus colegas anunciaram no início deste ano, começa parecendo algo como a letra "H." Mas cada uma das pernas do H dobra-se em duas direções diferentes, produzindo uma forma de mesa.

Os pesquisadores também construíram várias versões diferentes do mesmo projeto básico de dobradiça, que mostram que eles podem controlar o ângulo preciso em que uma junta se dobra. Em testes, eles endireitaram as dobradiças à força, prendendo-as a um peso, mas quando o peso foi removido, as dobradiças retomaram suas dobras originais.

A curto prazo, a técnica pode permitir a fabricação personalizada de sensores, monitores, ou antenas cuja funcionalidade depende de sua forma tridimensional. Longo prazo, os pesquisadores vislumbram a possibilidade de robôs imprimíveis.

Sundaram é acompanhado no jornal por seu conselheiro, Wojciech Matusik, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação (EECS) no MIT; Marc Baldo, também professor associado da EECS, que se especializou em eletrônica orgânica; David Kim, um assistente técnico no Grupo de Fabricação Computacional da Matusik; e Ryan Hayward, professor de ciência de polímeros e engenharia da Universidade de Massachusetts em Amherst.

Alívio de estresse

A chave para o design dos pesquisadores é um novo material de tinta de impressora que se expande depois de solidificar, o que é incomum. A maioria dos materiais de tinta de impressora se contraem ligeiramente à medida que se solidificam, uma limitação técnica que os designers frequentemente precisam contornar.

Dispositivos impressos são construídos em camadas, e em seus protótipos os pesquisadores do MIT depositam seu material em expansão em locais precisos nas poucas camadas superior ou inferior. A camada inferior adere ligeiramente à plataforma da impressora, e essa adesão é suficiente para manter o dispositivo plano à medida que as camadas são formadas. Mas assim que o dispositivo acabado é retirado da plataforma, as juntas feitas com o novo material começam a se expandir, dobrar o dispositivo na direção oposta.

Como muitos avanços tecnológicos, a descoberta do material pelos pesquisadores do CSAIL foi um acidente. A maioria dos materiais de impressão usados ​​pelo Grupo de Fabricação Computacional de Matusik são combinações de polímeros, moléculas longas que consistem em repetições em cadeia de componentes moleculares únicos, ou monômeros. Misturar esses componentes é um método para criar tintas de impressora com propriedades físicas específicas.

Ao tentar desenvolver uma tinta que produzisse componentes impressos mais flexíveis, os pesquisadores do CSAIL inadvertidamente encontraram um que se expandiu ligeiramente depois de endurecer. Eles reconheceram imediatamente a utilidade potencial dos polímeros em expansão e começaram a experimentar modificações na mistura, até chegarem a uma receita que lhes permita construir juntas que se expandam o suficiente para dobrar um dispositivo impresso ao meio.

Porquês e onde

A contribuição de Hayward para o jornal foi ajudar a equipe do MIT a explicar a expansão do material. A tinta que produz a expansão mais forte inclui várias cadeias moleculares longas e uma cadeia muito mais curta, constituído pelo monômero acrilato de isooctilo. Quando uma camada de tinta é exposta à luz ultravioleta - ou "curada, "um processo comumente usado na impressão 3-D para endurecer materiais depositados como líquidos - as longas cadeias se conectam entre si, produzindo um matagal rígido de moléculas emaranhadas.

Quando outra camada do material é depositada em cima da primeira, as pequenas cadeias de acrilato de isooctilo no topo, camada de líquido afundar na parte inferior, camada mais rígida. Lá, eles interagem com as cadeias mais longas para exercer uma força expansiva, qual a adesão à plataforma de impressão resiste temporariamente.

Os pesquisadores esperam que um melhor entendimento teórico do motivo da expansão do material lhes permita projetar materiais sob medida para aplicações específicas - incluindo materiais que resistem à contração de 1-3 por cento típica de muitos polímeros impressos após a cura.

"Este trabalho é empolgante porque fornece uma maneira de criar componentes eletrônicos funcionais em objetos 3-D, "diz Michael Dickey, professor de engenharia química na North Carolina State University. "Tipicamente, o processamento eletrônico é feito em um plano, Estilo 2-D e, portanto, precisa de uma superfície plana. O trabalho aqui fornece uma rota para criar eletrônicos usando técnicas planas mais convencionais em uma superfície 2-D e, em seguida, transformá-los em uma forma 3-D, enquanto retém a função da eletrônica. A transformação acontece por meio de um truque inteligente para criar tensão nos materiais durante a impressão. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.