Cientistas chineses fizeram um novo avanço na solução dos "problemas da indústria" da tecnologia de impressão 3D!

Com o rápido desenvolvimento da ciência e tecnologia de hoje, a tecnologia de impressão 3D se espalhou por todos os setores, como um vento forte do leste. Desde peças mecânicas complexas e precisas até modelos de produtos realistas, de protótipos arquitetônicos fantásticos a itens do cotidiano personalizados, a tecnologia de impressão 3D, com sua criatividade infinita e flexibilidade suficiente, trouxe a imaginação para a realidade, tornando a vida das pessoas mais conveniente enquanto também nos surpreende.

Princípio de funcionamento da tecnologia de impressão 3D

A tecnologia de impressão 3D, também conhecida como tecnologia de manufatura aditiva, é um método de produção inovador que constrói entidades tridimensionais empilhando materiais camada por camada. Seu princípio é semelhante ao de construir uma casa de tijolos, podendo ser resumido simplesmente como "fabricação em camadas, empilhamento camada por camada".

O processo de impressão 3D não é complicado. Primeiro, um modelo digital é criado ou obtido por meio de software de design assistido por computador, e então o modelo é dividido em uma série de camadas transversais muito finas (ou seja, fatias), e a espessura de cada fatia geralmente está entre dezenas de micrômetros e centenas de micrômetros. Em seguida, com base nessas informações de fatia, a impressora 3D constrói o objeto final camada por camada através de tecnologia e materiais específicos.

Processos de impressão 3D incluem modelagem por deposição fundida (FDM), estereolitografia fotográfica (SLA, DLP, LCD), sinterização seletiva a laser (SLS), fusão seletiva a laser (SLM), impressão estereoscópica a jato de tinta (3DP) e fabricação camada por camada (LOM).

Modelagem por deposição fundida (FDM) é um processo no qual materiais termoplásticos filamentares são aquecidos e derretidos através de uma válvula, depositados camada por camada em uma plataforma e, finalmente, solidificados em um objeto tridimensional. Essa tecnologia frequentemente utiliza materiais termoplásticos como matérias-primas, como copolímero de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS), ácido polilático (PLA), etc. Ela tem baixos requisitos de equipamento e é fácil de operar, sendo adequada para indivíduos e pequenos estúdios. As "faca de rabanete" e "espada telescópica" que têm sido populares no mercado de brinquedos recentemente são feitas dessa maneira.

Impressão 3D por litografia estereográfica (SLA, DLP, LCD) utiliza luz de uma banda e forma específicas para irradiar resina fotossensível, e a resina é curada camada por camada para gerar objetos da forma desejada. Essa tecnologia possui alta precisão de modelagem e superfície suave, sendo adequada para fabricação de modelos detalhados e pequenas peças.

A sinterização seletiva a laser (SLS) utiliza um feixe de laser para escanear materiais em pó, derretendo-os e unindo-os, camada por camada, até formar um objeto tridimensional. Essa tecnologia usa pó como material bruto (como nylon, pó de metal, pó de cerâmica, etc.), possui alta precisão de modelagem e é adequada para fabricação de peças funcionais com estruturas complexas.

A fusão seletiva a laser (SLM) possui energia laser mais alta, semelhante à sinterização seletiva a laser (SLS), e pode fundir completamente o pó metálico para alcançar a prototipagem rápida de peças metálicas. Essa tecnologia frequentemente usa pó metálico (como liga de titânio, aço inoxidável, etc.) como matéria-prima, pode imprimir peças metálicas de alta resistência e precisão, e é amplamente utilizada nos campos da aeroespacial, médico e outros.

A impressão estereográfica (3DP) utiliza materiais em pó (metal ou não metal) e adesivos como matérias-primas, e usa o mecanismo de ligação para imprimir cada camada do componente. As amostras moldadas dessa tecnologia de impressão têm a mesma cor que o produto real, e atualmente é uma das tecnologias mais maduras de impressão 3D em cores.

A fabricação por objetos laminados (LOM) utiliza materiais em folhas finas (como papel, filmes plásticos, etc.) e adesivo termofusível como matérias-primas, e acumula as formas necessárias camada por camada através de corte a laser e união térmica. Essa tecnologia possui velocidade de modelagem rápida e custo de material baixo, sendo adequada para fabricação de grandes estruturas e cascas.

Embora o produto da tecnologia de impressão 3D tenha um alto grau de restauração, ele é limitado pelos materiais de impressão. Os produtos impressos em 3D são altamente frágeis e podem ser facilmente quebrados por forças externas. Quando esses produtos são usados em cenários com requisitos elevados de desempenho mecânico, eles parecem ser um pouco "incapazes". Então, como melhorar o "coração de vidro" dos produtos impressos em 3D, para que eles tenham uma "pele" bonita e uma "flexibilidade" que não se quebra facilmente?

Em 3 de julho de 2024, cientistas chineses publicaram um resultado de pesquisa sobre elastômeros impressos em 3D na revista Nature. As borrachas produzidas usando essa tecnologia podem ser esticadas até 9 vezes o seu próprio comprimento, e a resistência à tração máxima pode atingir 94,6 MPa, o que equivale a suportar quase 10 quilos de gravidade por 1 milímetro quadrado, mostrando super alta força e tenacidade.

“Reconciliação” entre a velocidade de moldagem e a tenacidade dos produtos acabados

No processo de fotocuragem da impressão 3D (SLA, DLP, LCD), melhorar a eficiência de produção exige uma velocidade de moldagem mais rápida, o que leva ao aumento da densidade de reticulação do material e à redução da tenacidade do material durante o processo de cura. Sob métodos convencionais, enquanto a tenacidade do material aumenta, a viscosidade do material também aumentará, o que resultará em uma diminuição da fluidez e na redução da velocidade de moldagem. A contradição entre a velocidade de moldagem da impressão 3D e a tenacidade do produto final sempre preocupou toda a indústria.

Cientistas chineses "reconciliaram" essas duas contradições. Os pesquisadores propuseram uma estratégia de impressão em fases e pós-processamento, analisando o resina fotossensível de matéria-prima da impressão 3D de fotocuragem e desmontando o processo de impressão. Os pesquisadores projetaram um precursor DLP (processamento digital de luz) de dimetacrilato, que contém uma ligação de ureia dinamicamente obstruída e dois grupos carboxílicos na cadeia principal. Durante a fase de impressão e moldagem, esses componentes-chave estão em um estado "dormente" e desempenham um papel de toughening no estágio de pós-processamento após a moldagem.

a. Objetos impressos em 3D e suas mudanças dimensionais durante o pós-processamento; b. Desempenho anti-furo de balões impressos em 3D; c. Modelagem da força de perfuração mecânica; d-e. Teste de levantamento de peso do manipulador pneumático impresso em 3D. Fonte da imagem: Referência [1]

Durante a etapa de pós-processamento a 90°C, as ligações de ureia obstaculizadas nos produtos impressos em 3D se dissociam para gerar grupos de isocianato, que por um lado formam ligações de amida com os grupos carboxila da cadeia lateral, e por outro reagem com a água adsorvida pelo ácido carboxílico para formar ligações de ureia. As mudanças nas ligações químicas dentro das moléculas conectam a estrutura de rede única no material em uma estrutura de rede interpenetrada semelhante a "mão na mão", trazendo mais ligações de hidrogênio e fortalecendo a estrutura interna do material. É precisamente devido às mudanças na estrutura interna do material que os produtos impressos em 3D têm um espaço maior de amortecimento quando deformados por forças externas, semelhante ao efeito de absorção de energia em uma colisão de veículo, o que melhora a resistência ao impacto e à fratura do produto, proporcionando maior tenacidade.

Os resultados experimentais mostram que o filme preparado por impressão 3D usando precursor DLP com espessura de apenas 0,8 mm apresenta uma resistência extremamente forte à perfuração, permitindo suportar uma força de 74,4 Newtons sem se romper. Mesmo sob condições de inflação a alta pressão, o braço pneumático impresso em 3D ainda consegue agarrar uma bola de cobre de 70 gramas com espinhos afiados na superfície sem se romper, o que demonstra a ultra-alta tenacidade e a força estrutural dos produtos impressos em 3D.

Ampla aplicação de elastômeros impressos em 3D

No campo de equipamentos esportivos, elastômeros impressos em 3D fornecem aos atletas equipamentos personalizados e de alta performance. Por exemplo, solados personalizados e equipamentos de proteção utilizam as propriedades de absorção de impacto e suporte dos elastômeros para otimizar o desempenho esportivo dos atletas e melhorar a experiência de uso. Especialmente em esportes extremos e de alto impacto, materiais de elastômeros impressos em 3D podem reduzir significativamente o impacto sobre os atletas durante o exercício e proteger suas articulações e músculos de lesões.

Nos campos automotivo e aeroespacial, elastômeros impressos em 3D são usados para componentes-chave, como peças leves de absorção de choque e vedações. Essas peças podem reduzir o peso e manter um alto desempenho por meio de designs estruturais complexos.

No campo de produtos eletrônicos, alto-falantes inteligentes, pulseiras inteligentes, capas de telefone celular e outros produtos podem ser impressos com materiais elastoméricos. Esses produtos não apenas possuem excelente maciez e elasticidade, mas também têm alta resistência ao desgaste e durabilidade, o que pode atender às necessidades multifacetadas dos consumidores em relação à aparência e desempenho dos produtos.

No campo da manufatura industrial, a tecnologia de impressão 3D de materiais elastoméricos é usada para fabricar vários tipos de moldes industriais e correias de transmissão, entre outras peças. Essas peças precisam suportar maior estresse mecânico e vibração, e os materiais elastoméricos são escolhas ideais devido à sua excelente elasticidade e resistência à fadiga. Fabricar essas peças por meio da tecnologia de impressão 3D pode não apenas aumentar a eficiência de produção, mas também reduzir os custos de fabricação.

A chegada da tecnologia de impressão 3D de materiais elastoméricos expandiu ainda mais os cenários de uso dos produtos de impressão 3D e trouxe mais possibilidades coloridas para nossas vidas.