O que é impressão 4D, afinal?

Imagine comprar sapatos que podem se autoajustar aos seus pés ou desenvolver um dispositivo médico que pode se adaptar perfeitamente à anatomia de um paciente quando acionado por um estímulo específico. Estes são apenas alguns dos usos potenciais da impressão 4D - uma área de pesquisa excitante e crescente.

Embora a impressão 4D possa parecer algo saído de um romance de ficção científica, o Gartner prevê que US $ 300 milhões serão investidos na impressão 4D até 2023, embora a tecnologia ainda esteja um pouco longe da disponibilidade comercial.

Então, o que exatamente é a impressão 4D e como ela pode beneficiar os fabricantes?

O artigo de hoje analisará como funciona a impressão 4D, bem como as aplicações atuais e futuras da tecnologia.

O que é impressão 4D?

A impressão 4D dá aos objetos impressos em 3D a capacidade de mudar sua forma ao longo do tempo. O termo “impressão 4D” refere-se a esta quarta dimensão adicional:o tempo. A tecnologia emergente combina técnicas de impressão 3D com ciência de materiais de alto nível, engenharia e software.

Os materiais desempenham um papel crucial na impressão 4D, pois a tecnologia utiliza materiais especialmente concebidos para reagir a um estímulo específico. Os estímulos comuns que podem causar a transformação de objetos fabricados incluem mudanças de temperatura, luz, água, campos magnéticos, bem como fatores químicos e outros ambientais.

Quando acionados por uma fonte externa, os objetos impressos 4D podem se dobrar ou se desdobrar em formas predeterminadas, abrindo a porta para uma gama de aplicações interessantes que exploraremos a seguir.

Como a impressão 4D difere da impressão 3D?

A impressão 3D é uma prototipagem rápida e tecnologia de manufatura que deposita material camada por camada para criar objetos tridimensionais.

Fundamentalmente, a impressão 4D usa as mesmas técnicas da impressão 3D para criar peças. A principal diferença é que os objetos impressos 4D mudam de forma ao longo do tempo depois de impressos, enquanto os objetos impressos em 3D mantêm a mesma forma fixa.

Durante o processo 4D, é adicionado um código geométrico que contém “instruções” sobre como uma forma se moverá ou mudará uma vez desencadeada por um estímulo. Esta etapa de pré-programação permite a criação de objetos inteligentes e responsivos que podem se adaptar a fatores ambientais específicos.

Como funciona a impressão 4D?

Para se familiarizar com a impressão 4D em primeiro lugar, é necessário compreender como um material reagirá a um determinado estímulo. Usando esse conhecimento do comportamento do material, os engenheiros podem projetar um objeto com variações em sua estrutura material.

A partir do desenho digital CAD, o modelo é então impresso em 3D, seja em um único ou em um material composto.

Uma vez que o processo de impressão esteja completo, um código geométrico pré-programado irá ditar como diferentes áreas do objeto devem reagir a um estímulo específico.

Com essa abordagem, os engenheiros podem criar componentes que assumem formas predeterminadas ou se dobram e se desdobram de certas maneiras quando acionados por um estímulo específico.

Existem várias tecnologias de impressão 3D adequadas para o processamento de materiais programáveis ​​ou 'inteligentes':

• Estereolitografia (SLA),
• Fabricação de filamento fundido (FFF),
• Jateamento de material,
• Derretimento seletivo a laser (SLM).

Enquanto os três primeiros normalmente funcionam com materiais à base de polímero, os materiais SLM comuns são metais.

Notavelmente, o progresso recente na impressão 4D pode ser atribuído em grande parte aos avanços na tecnologia de jato de material, que permite a impressão multimaterial. Essa tecnologia funciona por meio do jato de gotículas de material, permitindo que sua deposição seja rigidamente controlada.

Que materiais podem ser impressos 4D?

Como vimos, a tecnologia usa materiais ‘inteligentes’ especialmente projetados que têm uma ou mais propriedades que podem ser alteradas por gatilhos externos.

Embora o portfólio de materiais de impressão 4D ainda seja bastante limitado devido ao estágio inicial da tecnologia, destacamos alguns dos materiais mais promissores que podem ser usados ​​na impressão 4D abaixo:

Hidrogéis

Os hidrogéis são redes hidrofílicas de cadeias poliméricas que podem reter uma grande quantidade de água. Os hidrogéis podem ser usados ​​em tecnologias de impressão 3D com cura por UV e programados para mudar de forma em resposta às mudanças de temperatura.

Uma vez que sua composição é principalmente água, os hidrogéis são biocompatíveis e, portanto, especialmente adequados para aplicações médicas. Os hidrogéis também podem ser usados ​​em aplicações como robótica suave e eletrônica flexível.

No ano passado, os engenheiros da Rutgers University desenvolveram um método de impressão 4D para criar um gel inteligente que poderia ajudar na criação de estruturas vivas em órgãos humanos e tecidos O material usado? Hidrogel.

Nesta aplicação, o material hidrogel muda de forma quando exposto a mudanças de temperatura. Além de promover aplicações biomédicas, este desenvolvimento também pode permitir novas aplicações em robótica leve, incluindo sensores e atuadores flexíveis.

Confira o vídeo de Rutgers abaixo para mais informações:

Polímeros com memória de forma

Polímeros com memória de forma (SMPs) são materiais poliméricos inteligentes que têm a capacidade de mudar de uma forma temporária fixa para sua forma original quando expostos a um estímulo externo.

Devido à sua capacidade de atuação ativa (a capacidade de mover e controlar um mecanismo ou sistema), os SMPs encontraram várias aplicações na indústria aeroespacial, robôs leves, biomédicos e outros campos.

Ligas com memória de forma

Ligas com memória de forma (SMAs) são materiais de metal inteligentes que, de forma semelhante aos SMPs, retêm uma “memória” de sua forma original e podem reverter para esta forma original após a deformação sob um estímulo.

Os SMAs podem encontrar usos em uma variedade de campos, como aeroespacial, engenharia civil e dispositivos biomédicos.

Cerâmica

No ano passado, uma equipe de pesquisa da City University of Hong Kong demonstrou uma nova tinta de cerâmica, que combina polímeros e nanopartículas de cerâmica. Os precursores cerâmicos impressos em 3D com esta tinta são macios e podem ser esticados três vezes além de seu comprimento inicial. Algumas das aplicações promissoras deste material incluem dispositivos eletrônicos, bem como aplicações na indústria aeroespacial.

Aplicações emocionantes de impressão 4D

A impressão 4D possui um grande potencial para a forma como os produtos são fabricados atualmente. Vamos dar uma olhada nas possibilidades que a impressão 4D abre com mais detalhes.

Aeroespacial

A capacidade de produzir materiais inteligentes que reagem a fatores externos é uma vantagem chave para a indústria aeroespacial. Aqui, a impressão 4D pode ser usada para fazer estruturas auto-implantáveis ​​para ventilação de ar, resfriamento de motor e outros usos semelhantes.

Airbus SAS, em parceria com o Laboratório de Auto-montagem do MIT, já está trabalhando com impressão 4D para desenvolver uma solução que resfrie seus motores dependendo da temperatura e outros fatores.

Em um exemplo, a Airbus e o MIT trabalharam no desenvolvimento de um componente de entrada de ar que pode se transformar em resposta às condições aerodinâmicas para diminuir a resistência do ar.

A entrada de ar criada pode se autoajustar para permitir o controle automático do fluxo de ar usado para resfriar o motor. Usando fibra de carbono, os engenheiros programaram o material para que pudesse responder às forças de pressão.

A entrada foi testada com sucesso em um túnel de vento e pode ser usada no futuro no lugar do sistema mecânico pesado que atualmente executa esta tarefa.

As missões espaciais também podem se beneficiar com Impressão 4D. Por exemplo, pesquisadores do Georgia Institute of Technology usaram polímeros com memória de forma para imprimir em 3D a estrutura feita de suportes. Esta estrutura é temporariamente dobrada e plana, mas pode se desdobrar quando exposta ao calor. Os pesquisadores acreditam que sua invenção pode ser usada para fazer antenas para espaçonaves e robôs macios que mudam de forma.

Defesa

Os benefícios da impressão 3D para a indústria de defesa são abrangentes. Agora, a indústria está buscando a impressão 4D para mais aplicações.

Um dos usos mais promissores da impressão 4D poderia envolver uniformes militares que podem alterar sua camuflagem ou proteger melhor contra gases venenosos ou estilhaços em contato.

Os pesquisadores também estão explorando maneiras pelas quais os militares poderiam usar objetos de automontagem, incluindo a possibilidade de abrigos ou pontes que se montam.

Médico

O potencial da impressão 4D na área médica é enorme. Aqui, a tecnologia pode ser usada em aplicações que vão desde a engenharia de tecidos e dispositivos biomédicos inteligentes até a fabricação de nanopartículas e nanorrobôs para quimioterapia.

Por exemplo, os pesquisadores do MIT desenvolveram uma tinta para impressão em 3D com micro-partículas magnéticas. As estruturas impressas em 3D com este material são magnéticas e podem, portanto, ser controladas remotamente.

Esta tecnologia pode ser usada para fazer dispositivos que podem ser guiados por um ímã através do trato gastrointestinal para tirar imagens, extrair amostras de tecido, limpar um bloqueio ou entregar certos medicamentos a uma área específica do corpo .

Outra aplicação potencial da impressão 4D reside na engenharia de tecidos. Nesse campo, os hidrogéis biocompatíveis poderiam ser usados ​​para imprimir uma pele artificial para enxertos e até mesmo implantes capazes de mudar de forma e funcionar sem intervenção externa.

Automotivo

Em 2016, a BMW apresentou sua visão futurística de um carro-conceito, que incluía impressão 4D. Um dos elementos incluiu o uso de impressão 4D para produzir componentes de automóveis que podem se adaptar às mudanças nas condições ambientais.

Embora este fosse apenas um conceito, dois anos depois a montadora, em colaboração com o laboratório de automontagem do MIT, anunciou a criação de uma estrutura 4D inflável que pode se auto-ajustar com base nas mudanças na pressão do ar. Feito de silicone, o material inflável reflete a visão da BMW de design adaptativo.

Uma das formas em que a estrutura 4D pode ser utilizada é para assentos de automóveis, proporcionando suporte adaptável e conforto - ou mesmo para desempenho de impacto na forma de airbags.

Bens de consumo

A produção de produtos de consumo é outra área que poderia ser reinventada pela impressão 4D. Por exemplo, a tecnologia poderia ser usada para fazer peças planas de móveis, como cadeiras e mesas, que se automontariam quando acionadas.

Uma vez comprado, o móvel impresso 4D simplesmente se recompõe - eliminando a necessidade de abrir uma caixa e montar todas as peças manualmente. Em última análise, isso poderia levar a produtos que exigiriam menos espaço de armazenamento e tornariam o transporte mais fácil.

Impressão 4D:a próxima grande novidade?

A impressão 4D é uma área fascinante que abre possibilidades empolgantes para a manufatura. A capacidade de fazer objetos com funcionalidade programável pode transformar a maneira como os bens são produzidos.

No entanto, é importante notar que a maioria dos projetos discutidos aqui ainda estão em fase de pesquisa e experimentação - e a tecnologia ainda tem um longo caminho a percorrer antes de se tornar comercialmente viável para as empresas.

Mas, conforme a pesquisa continua, o impacto da impressão 4D pode ser enorme, atingindo aplicações em uma variedade de indústrias.

Realisticamente, levará vários anos, ou talvez até uma década ou mais, antes que vejamos as principais aplicações da impressão 4D. Dito isso, a tecnologia parece pronta para acompanhar a evolução da impressão 3D para se tornar a próxima tecnologia disruptiva na fabricação.