Uma equipe de pesquisa da City University of Hong Kong (CityU) alcançou um avanço revolucionário na pesquisa de materiais ao desenvolver com sucesso a primeira impressão 4-D do mundo para cerâmica, que são mecanicamente robustos e podem ter formas complexas. Isso poderia virar uma nova página na aplicação estrutural da cerâmica.

A cerâmica tem um alto ponto de fusão, por isso é difícil usar a impressão a laser convencional para fazer cerâmica. Os precursores cerâmicos impressos em 3D existentes, que geralmente são difíceis de deformar, também dificultam a produção de cerâmicas com formas complexas. Para superar esses desafios, a equipe da CityU desenvolveu uma nova "tinta de cerâmica, "que é uma mistura de polímeros e nanopartículas de cerâmica. Os precursores de cerâmica impressos em 3-D impressos com esta nova tinta são macios e podem ser esticados três vezes além de seu comprimento inicial. Esses precursores de cerâmica flexíveis e extensíveis permitem formas complexas, como dobradura de origami. Com tratamento térmico adequado, cerâmicas com formas complexas podem ser feitas.

A equipe foi liderada pelo professor Lu Jian, professor titular de engenharia mecânica, que é um distinto cientista de materiais com interesses de pesquisa que vão desde a fabricação de nanomateriais e materiais estruturais avançados até a simulação computacional de engenharia de superfície. Com o desenvolvimento dos precursores elásticos, a equipe de pesquisa alcançou mais um avanço ao desenvolver dois métodos de impressão 4-D de cerâmica.

A impressão 4-D é a impressão 3-D convencional combinada com o elemento adicional de tempo como a quarta dimensão, onde os objetos impressos podem se remodelar ou se automontar ao longo do tempo com estímulos externos, como força mecânica, temperatura, ou um campo magnético. Nesta pesquisa, a equipe fez uso da energia elástica armazenada nos precursores alongados para a transformação da forma. Quando os precursores de cerâmica esticada são liberados, eles passam por uma auto-remodelação. Após o tratamento térmico, os precursores se transformam em cerâmica.

As cerâmicas derivadas de elastômero resultantes são mecanicamente robustas. Eles podem ter uma alta taxa de resistência à compressão para densidade (547 MPa em microlattice 1,6 g cm-3), e eles podem vir em tamanhos grandes com alta resistência em comparação com outras cerâmicas impressas.

"Todo o processo parece simples, Mas isso não, "disse o professor Lu." Desde a fabricação da tinta até o desenvolvimento do sistema de impressão, tentamos muitas vezes e métodos diferentes. Como apertar a cereja de um bolo, há muitos fatores que podem afetar o resultado, variando do tipo de creme e do tamanho do bico, à velocidade e força de compressão, e a temperatura. "

Demorou mais de dois anos e meio para a equipe superar as limitações dos materiais existentes e desenvolver todo o sistema de impressão em cerâmica 4-D.

No primeiro método de modelagem, um precursor e substrato de cerâmica impressos em 3-D foram primeiro impressos com a nova tinta. O substrato foi alongado usando um dispositivo de alongamento biaxial, e as juntas para conectar o precursor foram impressas nele. O precursor foi então colocado no substrato esticado. Com o controle de tempo programado por computador e a liberação do substrato esticado, os materiais se transformaram na forma projetada.

No segundo método, o padrão desenhado foi impresso diretamente no precursor de cerâmica esticada. Foi então lançado sob o controle da programação de computador e passou pelo processo de self-morphing.

A inovação foi publicada na última edição da principal revista acadêmica Avanços da Ciência sob o título "Origami e impressão 4-D de estruturas cerâmicas derivadas de elastômero." Todos os membros da equipe de pesquisa são da CityU, incluindo o Dr. Liu Guo, Assistente de pesquisa, Dr. Zhao Yan, pesquisador sênior associado, e Dr. Wu Ge, bolsista de pesquisa.

"Com a capacidade versátil de transformação de formas dos precursores de cerâmica impressos, sua aplicação pode ser enorme, "disse o professor Lu. Uma aplicação promissora é a eletrônica. Os materiais cerâmicos têm um desempenho muito melhor na transmissão de sinais eletromagnéticos do que os materiais metálicos. Com a chegada das redes 5G, os produtos cerâmicos terão um papel mais importante na fabricação de produtos eletrônicos. A natureza artística da cerâmica e sua capacidade de formar formas complexas também oferecem o potencial para os consumidores criarem placas traseiras de celulares em cerâmica personalizadas.

Além disso, esta inovação pode ser aplicada na aeronáutica e na exploração espacial. "Como a cerâmica é um material mecanicamente robusto que pode tolerar altas temperaturas, a cerâmica impressa em 4-D tem alto potencial para ser usada como um componente de propulsão no campo aeroespacial, "disse o Prof Lu.

Aproveitando a inovação em materiais e o avanço da técnica de impressão 4-D, O professor Lu disse que o próximo passo é melhorar as propriedades mecânicas do material, como reduzir sua fragilidade.