Fabricação Digital Baseada em Solução de Materiais Compósitos de Alto Desempenho

A natureza constrói estruturas incrivelmente fortes, versáteis e adaptativas, crescendo e funcionando em resposta ao seu ambiente — pense em árvores, ossos e quitina. Esta última forma tanto as carapaças duras quanto as articulações flexíveis dos crustáceos. As construções da natureza produzem pouco ou nenhum desperdício, requerem muito pouca energia e são recicladas ao final de suas vidas funcionais. Em contraste, as construções humanas são tipicamente prescritivas, consomem grandes quantidades de energia, geram resíduos tóxicos e são na maioria não recicladas. Segundo dados de 2018 da Agência de Proteção Ambiental dos EUA, a porcentagem de materiais reciclados é de apenas 9% para plásticos (sem mudança desde 2010), 25% para vidro e 33% para metais (ambos em queda desde 2010). Embora o design e a fabricação digital estejam avançando rapidamente e permitindo a produção de estruturas e componentes sofisticados e multifuncionais, essas tecnologias ainda não fizeram os mesmos avanços em sustentabilidade.

Inspiração e Objetivo

Esta foi a inspiração e objetivo do projeto Fabricação Digital Baseada em Água desenvolvido pelo Mediated Matter Group no Massachusetts Institute of Technology (MIT) (Cambridge, Mass., EUA) Media Lab, iniciado em 2013. Esta iniciativa desenvolveu uma nova tecnologia de manufatura digital combinando os materiais naturais mais abundantes da Terra com um sistema de extrusão multi-câmara controlado roboticamente que deposita concentrações variadas de soluções biocompostas — a primeira foi quitina de cascas de crustáceos e ácido acético — para criar estruturas com propriedades anisotrópicas. Gradientes em propriedades mecânicas, químicas e ópticas são produzidos através de escalas de comprimento de milímetros a metros, alcançando não apenas geometrias únicas e multifuncionalidade, mas também o potencial para auto-montagem estrutural. Por exemplo, as deposições úmidas podem ser projetadas para formar formas (ex.: cilindro) à medida que secam, em resposta a tensões de evaporação direcionais dentro dos compósitos multicamadas.

Esta fabricação digital baseada em solução foi vislumbrada como uma ponte entre os ambientes biológico e construído, com aplicações potenciais em painéis arquitetônicos sustentáveis, embalagens recicláveis e bens de consumo ou peças automotivas leves e biodegradáveis. O MIT eventualmente explorou compósitos usando microfibras de celulose, pectina, algas e nanoplaquetas cerâmicas. Mas e se você pudesse combinar esta deposição digital baseada em água com as tecnologias de extrusão aditiva reforçada com fibras contínuas e curtas que avançam rapidamente nos compósitos impressos em 3D atuais?

Por que solução de quitosana?

Experimentos iniciais no projeto de Fabricação Digital Baseada em Água usaram quitosana, derivada de quitina. O segundo polímero natural mais abundante na Terra após a celulose, a quitina tem uma estrutura química semelhante à celulose e compreende não apenas as carapaças de alto módulo e alta tenacidade de crustáceos e insetos, mas também o tecido forte e flexível encontrado em suas articulações. Materiais naturais — especialmente polímeros e polissacarídeos como quitina e celulose — fornecem um vasto recurso renovável produzido em taxas muito maiores do que polímeros sintéticos feitos pelo homem, explica Laia Mogas-Soldevila, uma das principais pesquisadoras do MIT neste projeto. Ela afirma que derivados de polissacarídeos poderiam substituir polímeros baseados em petroquímicos existentes, fornecendo novas combinações de propriedades e permitindo manufatura mais sustentável.

Mogas-Soldevila dá uma excelente visão geral do desenvolvimento da tecnologia do MIT em sua tese de 2015, "Design e fabricação digital baseada em água: Explorações de material, produto e arquitetura na impressão de quitosana e seus compósitos". Ela explica que a ideia de usar fabricação digital baseada em solução veio do estudo de métodos de biofabricação baseados em jato de tinta e bico para produzir materiais macios como andaimes para crescimento de tecido.

Decidiu-se tentar deposição 3D baseada em bico usando pó de quitosana processado em gel em concentrações peso-volume (p/v) de 1-12% usando ácido acético 4% p/v em solução aquosa. Esses hidrogéis variavam de um líquido translúcido com viscosidade como mel aguado a 3% de concentração, a um material opaco com a consistência de borracha natural a 12% de concentração (Fig. 1). Resultados iniciais de filmes de quitosana depositados e secos mostraram resistência à tração última de 40 megapascals, que Mogas-Soldevila descreveu como comparável a polímero de nylon ou madeira na direção da fibra. Estruturas foram fabricadas e curadas à temperatura ambiente.

Plataforma Inovadora de Manufatura Digital

A plataforma robótica de manufatura aditiva personalizada que o MIT projetou para depositar os géis de quitosana combinou um braço robótico de seis eixos KUKA (Augsburg, Alemanha) Agilus KR1100 (uma plataforma de 54 quilogramas com carga útil de 10 quilogramas e repetibilidade/precisão de ±0,03 milímetro) com um efetor final baseado em extrusão. O novo efetor final continha seis barris para os géis de quitosana conectados a um sistema de pressão de ar controlado por computador que incluía pressão positiva (tanque de ar comprimido) e negativa (bomba de vácuo) com regulador digital de PSI e motores de passo gêmeos para controlar a extrusão.

Este efetor final pesava 4 quilogramas incluindo seringas carregadas e material de deposição. Taxas de fluxo típicas variavam de 8 a 4.000 milímetros cúbicos por segundo usando bicos com diâmetro interno variando de 0,5 a 8 milímetros. Movimento linear do sistema variava de 10 a 50 milímetros por segundo. Área de deposição era 1.000 milímetros de comprimento por 500 milímetros de largura, no entanto, limitações de comprimento foram posteriormente removidas via mesa de impressão deslizante.

Os motores de passo, sistema pneumático e braço robótico eram controlados digitalmente para coordenar razões de alimentação/velocidade, permitir razões de mistura variáveis e taxas de extrusão e ajustar pressão e velocidade de deposição em tempo real com base nas geometrias de extrusão e propriedades de material desejadas. Movimento robótico e extrusão não eram explicitamente vinculados — ou seja, ambas as funções eram independentes uma da outra — o que permitia controle independente de cada seringa acionada por motor, bem como o deslocamento do efetor final do braço robótico. O sistema produziu com sucesso formas 3D de grande escala sem moldes e alcançou uma ampla gama de formas geométricas com propriedades estruturais variadas.

Do Design Digital à Deposição

Testes iniciais de fabricação basearam-se em estruturas biológicas como folhas e asas de libélula. Uma estrutura longitudinal principal fornecia forma global, feita com depósitos de diâmetro mais espesso e concentrações de material mais altas para rigidez. Estruturas secundárias eram então formadas por redes depositadas de materiais de diâmetro mais fino e concentração mais baixa. O sistema de manufatura usou várias técnicas para construir estas estruturas: aplicando diferentes soluções de concentração ao longo de certos caminhos, controlando digitalmente a pressão durante a deposição para controlar largura e altura do material e repetindo camadas. Estas estratégias foram codificadas nas instruções de posição, velocidade, pressão e material que eram enviadas em tempo real para o robô KUKA (posicionamento) e efetor final de extrusão (deposição).

Para começar, estruturas eram modeladas em um programa CAD e então software de fatiamento personalizado convertia isso em camadas impressas. O sistema de controle digital testava e otimizava caminhos de deposição. Caminhos de ferramentas geométricas fornecendo controle e operação do sistema de extrusão foram projetados com software de modelagem Rhino3D (Robert McNeel and Associates, EUA) e seu plugin de script Grasshopper.

O sistema então codificava um array de parâmetros independentes associados com o design digital, bem como propriedades básicas de material mecânicas e químicas. Também moderava restrições dependentes da plataforma dadas pelo sistema de fabricação, como viscosidades, taxas de cisalhamento, tipos de barris, tempos de resposta de hardware e/ou tamanho do envelope. Todos estes parâmetros eram então combinados com variações específicas do design, como tipo de bico, composição do material e mapas de pressão dependentes do tempo. Cálculos resultantes então produziam as taxas de fluxo necessárias, padrões de recarga de barris e velocidades de posicionamento. Finalmente, instruções de fabricação personalizadas eram geradas, codificando comandos de movimento e extrusão para os sistemas de posicionamento e deposição, respectivamente.

Exploração de Novas Estruturas

Testes de fabricação descritos por Mogas-Soldevila incluem uma estrutura de 50 centímetros inspirada em asas de libélula. Suas "veias" estruturais foram feitas de gel de quitosana espessado com pó de alginato de sódio natural, sobre o qual uma membrana transparente resistente à tração de gel de quitosana a 3% foi sobreposta. Devido às características de auto-reparo dos materiais, a membrana foi ligada às veias durante a deposição. Este conceito foi explorado em uma variedade de estruturas semelhantes a folhas de até 3 metros de comprimento. Em outro exemplo, uma grade de 5 x 15 milímetros foi depositada plana usando uma solução de microfibra de celulose em gel de quitosana a 2%. À medida que secava, formava um cilindro de 50 centímetros de comprimento, usando a capacidade de projetar tensões internas de evaporação como discutido acima.

Esta tecnologia foi pioneira por Jorge Duro-Royo, arquiteto e engenheiro e pesquisador principal no Mediated Matter Group do MIT sob a Prof. Neri Oxman, e desenvolvida posteriormente nos projetos Aguahoja onde estruturas semelhantes a pele ("hojas") foram criadas e moldadas com soluções baseadas em água ("agua"). Aguahoja I incluiu um pavilhão arquitetônico de 5 metros de altura (Fig. 2) e uma biblioteca de experimentos de materiais que foram exibidos em 2018 e depois adquiridos pelo San Francisco Museum of Modern Art (SFMOMA) (Califórnia, EUA) para sua coleção permanente. Aguahoja II fez parte de uma exposição de 2019 co-organizada pelo Cube Design Museum (Kerkrade, Holanda) e pelo Cooper Hewitt, Smithsonian Design Museum (Nova York, NY, EUA).

A plataforma de fabricação robótica nos projetos Aguahoja evoluiu para incluir sistemas baseados em robô e gantry. O pavilhão compreendia 95 segmentos individuais impressos em 3D. A espinha branca foi impressa usando um sistema F900 de modelagem por deposição fundida (FDM) pronto para uso e termoplástico acrilonitrila estireno acrilato (ASA). Os múltiplos painéis biocompostos foram projetados com graus variados de rigidez, flexibilidade e opacidade para criar regiões que servem como estrutura, janela e filtro ambiental. Alguns dos materiais no Aguahoja I mudam em resposta a umidade e calor, outros escurecem ou clareiam conforme as estações mudam. Os materiais variam de quebradiços e transparentes a flexíveis e semelhantes a couro, mas todos podem ser programados para degradar em água (ex.: chuva), restaurando assim os blocos de construção constituintes ao ecossistema natural.

Mogas-Soldevila completou desde então um doutorado no The Silklab dentro da Engenharia Biomédica de Tufts (Medford, Mass., EUA), analisando como usar seda e outras fibras e materiais naturais, incluindo aqueles com os quais trabalhou no MIT. Ela é agora professora assistente de Arquitetura na Universidade da Pensilvânia Stuart Weitzman School of Design, onde ensina e pesquisa design orientado a materiais na interseção de sustentabilidade e ciências da vida de ponta. Alguns de seus trabalhos recentes podem ser encontrados em dumolab.com. "Estes são materiais que vêm da natureza e são muito facilmente funcionalizáveis — podemos misturá-los, dopá-los e transformá-los. Podemos realmente sintonizá-los para capacidades de fabricação específicas. Estamos olhando para o que vem amanhã."