Imagine um futuro em que você poderia imprimir em 3D um robô inteiro ou um dispositivo médico eletrônico elástico com o pressionar de um botão - sem horas tediosas gastas montando peças manualmente.
Essa possibilidade pode estar mais próxima do que nunca graças a um recente avanço na tecnologia de impressão 3D liderado por engenheiros da CU Boulder. Em um novo estudo, a equipe apresenta uma estratégia para o uso de impressoras atualmente disponíveis para criar materiais que fundem componentes sólidos e líquidos – um feito complicado se você não quiser que seu robô entre em colapso.

"Acho que há um futuro em que poderíamos, por exemplo, fabricar um sistema completo como um robô usando esse processo", disse Robert MacCurdy, autor sênior do estudo e professor assistente no Departamento de Engenharia Mecânica Paul M. Rady.

MacCurdy, juntamente com os estudantes de doutorado Brandon Hayes e Travis Hainsworth, publicaram seus resultados em 14 de abril na revista Additive Manufacturing .

As impressoras 3D têm sido a província de hobistas e pesquisadores que trabalham em laboratórios. Eles são muito bons em fazer dinossauros de plástico ou peças individuais para máquinas, como engrenagens ou juntas. Mas MacCurdy acredita que eles podem fazer muito mais:ao misturar sólidos e líquidos, as impressoras 3D podem produzir dispositivos mais flexíveis, dinâmicos e potencialmente mais úteis. Eles incluem dispositivos eletrônicos vestíveis com fios feitos de líquido contidos em substratos sólidos, ou até mesmo modelos que imitam a maciez de órgãos humanos reais.

O engenheiro compara o avanço com as impressoras tradicionais que imprimem em cores, não apenas em preto e branco.

"As impressoras coloridas combinam um pequeno número de cores primárias para criar uma rica variedade de imagens", disse MaCurdy. "O mesmo acontece com os materiais. Se você tem uma impressora que pode usar vários tipos de materiais, pode combiná-los de novas maneiras e criar uma gama muito maior de propriedades mecânicas."

Espaço vazio

Para entender essas propriedades, é útil comparar as impressoras 3D com as impressoras normais do seu escritório. As impressoras de papel criam uma imagem depositando tintas líquidas em milhares de pixels planos. As impressoras 3D a jato de tinta, por outro lado, usam um cabeçote de impressão para soltar pequenas gotas de fluido, chamadas "voxels" (uma mistura de "volume" e "pixel"), uma em cima da outra.

“Logo depois que essas gotículas são depositadas, elas são expostas a uma luz ultravioleta brilhante”, disse MacCurdy. "Os líquidos curáveis ​​se convertem em sólidos em um segundo ou menos."

Mas, acrescentou, há muitos casos em que você pode querer que esses líquidos permaneçam líquidos. Alguns engenheiros, por exemplo, usam líquidos ou ceras para criar pequenos canais dentro de seus materiais sólidos, que depois esvaziam. É um pouco como gotas de água podem esculpir uma caverna subterrânea.

Os engenheiros criaram maneiras de criar esses tipos de espaços vazios em peças impressas em 3D, mas geralmente leva muito tempo e esforço para limpá-los. Os canais também precisam ser relativamente simples.

MacCurdy e seus colegas decidiram encontrar uma maneira de contornar essas limitações – entender melhor as condições que permitiriam aos engenheiros imprimir materiais sólidos e líquidos ao mesmo tempo.

Coragem líquida

Os pesquisadores primeiro projetaram uma série de simulações de computador que investigaram a física da impressão de diferentes tipos de materiais próximos uns dos outros. Um dos grandes problemas, disse MacCurdy, é:"Como você pode evitar que suas gotículas de materiais sólidos se misturem com os materiais líquidos, mesmo quando as gotículas de material sólido são impressas diretamente em cima das gotículas líquidas?"

A equipe estabeleceu um conjunto de regras para ajudá-los a fazer exatamente isso.

“Descobrimos que a tensão superficial de um líquido pode ser usada para suportar material sólido, mas é útil escolher um material líquido que seja mais denso que o material sólido – a mesma física que permite que o óleo flutue sobre a água”. disse Hayes.

Em seguida, os pesquisadores experimentaram uma impressora 3D real no laboratório. Eles carregaram a impressora com um polímero curável, ou plástico (o sólido), e com uma solução de limpeza padrão (o líquido). Suas criações foram impressionantes:o grupo conseguiu imprimir em 3D loops de líquido e uma rede complexa de canais não muito diferente das vias de ramificação em um pulmão humano.

"Ambas as estruturas teriam sido quase impossíveis de construir através de abordagens anteriores", disse Hainsworth.

MacCurdy também se juntou recentemente a uma equipe de pesquisadores da CU Boulder e do CU Anschutz Medical Campus que estão desenvolvendo maneiras de imprimir em 3D modelos realistas de tecido humano. Os médicos podem usar esses modelos para praticar procedimentos e fazer diagnósticos. O projeto empregará a abordagem líquido-sólido de MacCurdy entre outras ferramentas.

“Esperamos que nossos resultados tornem a impressão 3D multimaterial a jato de tinta usando líquidos e sólidos mais acessível a pesquisadores e entusiastas de todo o mundo”, disse ele.