Um novo método desenvolvido por pesquisadores do MIT usa impressoras 3-D padrão para produzir dispositivos funcionais com os componentes eletrônicos já integrados. Os dispositivos são feitos de fibras contendo vários materiais interligados, que pode iluminar, sentir seus arredores, armazenar energia, ou realizar outras ações.

O novo método de impressão 3-D é descrito no jornal Nature Communications , em um artigo do aluno de doutorado do MIT Gabriel Loke, professores John Joannopoulos e Yoel Fink, e quatro outros no MIT e em outros lugares.

O sistema faz uso de impressoras 3-D convencionais equipadas com um bico especial e um novo tipo de filamento para substituir o filamento de polímero de material único usual, que normalmente derrete completamente antes de ser expulso do bico da impressora. O novo filamento dos pesquisadores tem uma estrutura interna complexa composta por diferentes materiais dispostos em uma configuração precisa, e é circundado por revestimento de polímero na parte externa.

Na nova impressora, o bico opera a uma temperatura mais baixa e puxa o filamento através de impressoras convencionais mais rápidas, de modo que apenas sua camada externa fica parcialmente derretida. O interior permanece frio e sólido, com suas funções eletrônicas incorporadas não afetadas. Desta maneira, a superfície é derretida apenas o suficiente para aderir solidamente aos filamentos adjacentes durante o processo de impressão, para produzir uma estrutura 3-D robusta.

Os componentes internos do filamento incluem fios de metal que servem como condutores, semicondutores que podem ser usados ​​para controlar funções ativas, e isoladores de polímero para evitar que os fios entrem em contato uns com os outros. Como demonstração, a equipe imprimiu uma asa para um aeromodelo, usando filamentos que continham eletrônicos emissores e detectores de luz. Esses componentes podem revelar a formação de quaisquer rachaduras microscópicas que possam se desenvolver.

Enquanto os filamentos usados ​​na asa do modelo continham oito materiais diferentes, Loke diz que, em princípio, eles poderiam conter ainda mais. Até este trabalho, ele diz, "uma impressora capaz de depositar metais, semicondutores, e polímeros em uma única plataforma ainda não existiam, porque a impressão de cada um desses materiais requer hardware e técnicas diferentes. "

Este método é até três vezes mais rápido do que qualquer outra abordagem atual para fabricar dispositivos 3-D, Loke diz, e como com todas as impressoras 3-D, oferece muito mais flexibilidade em relação aos tipos de formas que podem ser produzidos do que os métodos de fabricação típicos. "Exclusivo para impressão 3-D, esta abordagem é capaz de construir dispositivos de qualquer forma livre, que não são alcançáveis ​​por nenhum outro método até agora, " ele diz.

O método faz uso de fibras trefiladas termicamente que contêm uma variedade de materiais diferentes embutidos nelas, um processo que Fink e seus colaboradores vêm aperfeiçoando há duas décadas. Eles criaram uma série de fibras que contêm componentes eletrônicos, tornando as fibras capazes de realizar uma variedade de funções. Por exemplo, para aplicações de comunicação, luzes piscantes podem transmitir dados que são então captados por outras fibras contendo sensores de luz. Esta abordagem produziu, pela primeira vez, fibras, e tecidos tecidos com eles, que têm essas funções integradas.

Agora, este novo processo disponibiliza toda esta família de fibras como matéria-prima para a produção de dispositivos 3D funcionais que podem detectar, comunicar, ou armazenar energia, entre outras ações.

Para fazer as próprias fibras, os diferentes materiais são inicialmente montados em uma versão em larga escala chamada de pré-forma, que é então aquecido e puxado em uma fornalha para produzir uma fibra muito estreita que contém todos esses materiais, em suas mesmas posições relativas exatas, mas muito reduzidas em tamanho.

O método poderia ser potencialmente desenvolvido para produzir uma variedade de diferentes tipos de dispositivos, especialmente para aplicações onde a habilidade de personalizar precisamente cada dispositivo é essencial. Uma dessas áreas é para dispositivos biomédicos, onde combinar o dispositivo com o corpo do paciente pode ser importante, diz o Fink, que é professor de ciência dos materiais, engenharia elétrica e ciência da computação e CEO da Advanced Functional Fabrics of America, uma organização sem fins lucrativos.

Por exemplo, membros protéticos podem algum dia ser impressos usando este método, não apenas correspondendo às dimensões e contornos precisos do membro do paciente, mas com toda a eletrônica para monitorar e controlar o membro embutido no lugar.

Ao longo dos anos, o grupo desenvolveu uma ampla gama de fibras contendo diferentes materiais e funcionalidades. Loke diz que praticamente tudo isso pode ser adaptado para a nova técnica de impressão 3D, tornando possível imprimir objetos com uma ampla variedade de combinações diferentes de materiais e funções. O dispositivo usa um tipo padrão de impressora 3-D conhecida como impressora de modelagem de deposição fundida (FDM), que já é encontrado em muitos laboratórios, escritórios, e até mesmo casas.

Uma aplicação que pode ser possível no futuro seria imprimir materiais para implantes biomédicos que forneceriam uma estrutura para o crescimento de novas células para substituir um órgão danificado, e inclua nele sensores para monitorar o progresso desse crescimento.

O novo método também pode ser útil para a prototipagem de dispositivos, que já é uma aplicação importante para impressão 3-D, mas, neste caso, os protótipos teriam funcionalidade real, em vez de modelos estáticos.

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.