Método de impressão 3D inspirado na natureza é mais rápido do que o bambu

Avançando à velocidade máxima, um caracol de jardim faz 1 milímetro de pavimento por segundo. Por esta lógica, o novo processo de impressão 3D dos investigadores do Beckman Institute for Advanced Science and Technology ultrapassa os métodos existentes – ao ritmo de um caracol.

Os investigadores do Grupo de Sistemas de Materiais Autónomos da Beckman criaram a “impressão de crescimento”, que imita a expansão exterior dos troncos das árvores para imprimir peças de polímero de forma rápida e eficiente sem os moldes e o equipamento dispendioso normalmente associados à impressão 3D. O seu trabalho foi publicado na revista Advanced Materials.

“Os humanos são incrivelmente talentosos a fazer coisas. É difícil encontrar processos de fabrico completamente novos. A impressão por crescimento é totalmente nova, o que é emocionante”, afirma Sameh Tawfick , professor de ciências mecânicas e engenharia na Universidade de Illinois Urbana-Champaign e responsável pelo projeto.

Tawfick afirmou que a tecnologia de fabrico industrial mais comum é a moldagem por injeção, em que os polímeros fundidos ganham forma num molde de metal. Embora seja eficaz para a produção em massa, a manutenção dos moldes e dos fornos de cura (onde o plástico endurece) pode ter custos proibitivos e ser difícil de manusear – especialmente para objetos grandes como cascos de barcos ou pás de ventoinhas. O fabrico aditivo, que imprime objetos em 3D como um bolo de camadas, não tem bolor e é ideal para peças personalizadas como próteses.

“O equipamento de impressão 3D de polímeros amadureceu, mas ainda há aspetos que o tornam caro e muito lento”, afirma Tawfick. “O nosso objetivo era aumentar a velocidade de fabrico, o tamanho e a qualidade do material, mantendo um custo baixo. Este processo que criámos é verdadeiramente rápido e barato”, acrescenta.

Primeiro, Sameh e os seus colegas deitam uma resina líquida de cor âmbar chamada DCPD, num recipiente de vidro aberto submerso em água gelada. Aquecem um ponto central da resina a 70ºC.

À medida que a reação se processa, o calor irradia para fora do ponto de contacto original a 1 mm/s, mais de 100 vezes mais rápido do que as impressoras 3D de secretária disponíveis para uso doméstico e 60 vezes mais rápido do que a espécie de bambu de crescimento mais rápido do mundo.

Tudo o que o calor toca endurece numa esfera em crescimento, como se o mítico Rei Midas se apoderasse do núcleo da Terra. Auto-sustentada pela libertação constante de calor, a reação – designada por polimerização por metátese de abertura de anel frontal e apelidada de FROMP – utiliza um mínimo de energia para endurecer a resina na sua forma sólida: poli-diciclopentadieno, ou p-DCPD.

À medida que a esfera endurecida cresce, os investigadores alteram a sua forma, retirando-a da resina como uma maçã de um caramelo viscoso. Uma vez que a reação líquido-sólido só ocorre abaixo da superfície, os investigadores podem levantar, mergulhar ou girar a peça sólida como se fosse vidro soprado para manipular o seu tamanho e forma. Por exemplo: para criar um rebordo ondulado, os investigadores levantam ligeiramente a resina, mantêm-na imóvel e repetem a operação.

Os investigadores conceberam o seu processo de modo a imitar a forma como uma árvore se expande constantemente para fora, anel a anel. Na natureza, elementos como a gravidade, o vento e a temperatura complementam e complicam a tendência de uma árvore para crescer simetricamente, resultando em árvores que se inclinam com o vento ou que se estendem em direção a um pedaço de luz solar na copa da floresta.

Tawfick ficou apaixonado pelos padrões de crescimento dos organismos vivos e pelas formas resultantes – também conhecidas como morfogénese – ao ler o livro de D’Arcy Wentworth Thompson, “On Growth and Form”. Em agosto passado, quando Tawfick foi promovido de professor associado a professor catedrático, dedicou o livro à Biblioteca da Universidade.

Utilizando o seu novo método, Tawfick e os seus colegas fabricaram objetos do quotidiano, como uma pinha, uma framboesa e uma abóbora. Todas estas formas são simétricas em torno de um eixo vertical. As formas não simétricas são mais difíceis, mas possíveis; por exemplo, os investigadores esculpiram um pássaro kiwi permitindo que o corpo esférico se expandisse abaixo da superfície antes de o puxar para cima mesmo a tempo de criar uma cabeça diminuta e um bico minúsculo.

“É uma aplicação bonita e simples de um processo de reação-difusão, que se encontra em muitos sistemas naturais. A velocidade e a eficiência energética do processo de crescimento-impressão tornam este processo particularmente atrativo. Na vertente de modelização deste projeto de colaboração, desenvolvemos uma ferramenta computacional que prevê o movimento ascendente da haste necessário para atingir a forma pretendida do objeto fabricado”, afirma Philippe Geubelle, professor de engenharia aeroespacial do Illinois e coautor do artigo.

As limitações deste método são as mesmas que se encontram na natureza. Imprimir objetos curvos, como bananas, é teoricamente possível mas difícil de programar matematicamente, tal como formas complexas “como um espinho numa rosa”, diz Tawfick.

“É difícil encontrar um cubo perfeito na natureza. Não conheço nenhuma planta ou organismo que se pareça com um cubo perfeito. Da mesma forma, o nosso processo não consegue criar um cubo perfeito. É um espelho interessante da natureza”, adianta.

Tawfick afirma que o processo é “simples e altamente comercializável” e espera que possa um dia ser utilizado para criar grandes produtos à base de polímeros, como pás de turbinas eólicas. O projeto é financiado pelo programa de Ciências Energéticas Básicas do Gabinete de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.

“A ciência básica da energia pode conduzir a um fabrico transformador, ou seja, algo com um impacto transformador na nossa economia. Este é um exemplo de sucesso e foi possível graças à colaboração aqui no Instituto Beckman com pessoas de todas as áreas de especialização”, explica Tawfick.

O primeiro autor e estudante de pós-graduação do Illinois, Yun Seong Kim, afirmou que o projeto demonstrou um verdadeiro trabalho de equipa: “Foi um verdadeiro trabalho de equipa, porque exigiu conhecimentos especializados de várias origens e todos nos unimos para o concretizar”, afirma.

O coautor Randy Ewoldt, Professor Alexander Rankin de Ciências Mecânicas e Engenharia no Illinois, conclui: “Os muitos avanços deste trabalho resultaram do excelente trabalho de equipa. A cultura de excelência colaborativa do Illinois brilha intensamente”.