Impressão 4D: Revolucionando a Manufatura Aditiva para Soluções Adaptativas

E se tubos pudessem se autorreparar automaticamente se racharem ou quebrarem, ou roupas pudessem mudar de acordo com o clima ou a atividade do usuário? Móveis que se automontam, próteses que se adaptam ao crescimento... Estas são apenas algumas das possíveis aplicações que a tecnologia de impressão 4D visa realizar.

Imagem 1: Garra impressa em 4D modificando sua forma. Fonte: Sculpteo.

A impressão 3D existe há quase 30 anos e, embora ainda esteja em processo de pesquisa, descobrindo novos materiais e aplicações, novas tecnologias como a 4D surgiram.

No MIT Self-assembly Lab, desenvolveram um projeto do qual a impressão 4D faz parte. Seu objetivo é combinar tecnologia e design para inventar materiais programáveis e tecnologias de automontagem com o objetivo de reinventar a construção, manufatura, montagem de produtos e desempenho. Enquanto isso, um estudo do Wyss Institute (parte da Universidade de Harvard) conseguiu imprimir um objeto que, ao entrar em contato com a água, muda sua forma, resultando em uma espécie de floração de suas extremidades. Desenvolveram um material baseado em estruturas naturais, como plantas, que foi injetado com fibras de celulose durante o processo de impressão.

Vídeo 1: Arquitetura metamórfica. Fonte: Universidade de Harvard.

O que é impressão 4D?

Inspirada no princípio da automontagem, a impressão 4D é o processo pelo qual um objeto impresso em 3D é transformado em uma estrutura diferente pela influência de entrada de energia externa, como temperatura, luz ou outros estímulos ambientais. Ou seja, obter um objeto através da tecnologia 3D que, graças às propriedades do material do qual é feito, é capaz de mudar quando submetido a um estímulo ambiental.

Esta é precisamente a diferença entre a tecnologia 3D e 4D: a capacidade dos objetos de se transformarem ao longo do tempo sem intervenção humana.

Materiais utilizados

A chave para a impressão 4D não é tanto o processo, baseado nas conhecidas impressoras 3D, mas os materiais. Como esta é uma tecnologia relativamente nova, os materiais disponíveis não são tão variados quanto os usados para impressão 3D padrão. No entanto, existem alguns muito interessantes.

SMP (polímeros de memória de forma)

Polímeros que permanecem rígidos à temperatura ambiente e oferecem propriedades especiais quando atingem o ponto de transição vítrea. Um exemplo seria o TPU SMP da Convena: um filamento 4D com composição baseada em TPU (poliuretano termoplástico) que permite pós-processamento para modificar a forma de peças impressas em 3D. Graças à sua composição especial e tecnologia de Polímero de Memória de Forma, peças impressas com este filamento podem ser modificadas manualmente, permitindo que adquiram outra forma e a mantenham ao longo do tempo.

O processo de modificação da forma de uma peça impressa em 3D com filamento TPU SMP consiste em colocar a peça impressa em um recipiente com água quente até atingir sua temperatura de transição vítrea. Neste ponto, a peça amolece e o usuário pode facilmente modificar sua forma. Uma vez resfriada, a peça mantém a forma adquirida e permanece estável. Além disso, peças impressas em 3D com filamento TPU SMP podem ser restauradas à sua forma original invertendo o processo. Ou seja, a temperatura de transição vítrea do material é atingida novamente.

LCE (elastômeros de cristal líquido)

Eles contêm cristais líquidos que são sensíveis ao calor. Controlando sua orientação, a forma desejada pode ser programada: sob o efeito da temperatura, o material relaxará e se transformará de acordo com o código ditado.

Hidrogéis

Cadeias de polímeros consistindo principalmente de água, particularmente usados em processos de fotocura. Estes últimos são focados no setor médico devido à sua biocompatibilidade.

Além disso, alguns processos de impressão 4D podem usar vários materiais, principalmente compósitos como madeira ou carbono, que são adicionados a SMP ou hidrogéis. Isso resulta em objetos com áreas rígidas e móveis.

Aplicações

Dadas as muitas vantagens de tais materiais inteligentes, as aplicações da impressão 4D são inumeráveis.

Construção

A construção de estruturas adaptadas ao clima, como pontes, abrigos ou outras instalações, seria um enorme avanço neste campo. Tijolos 4D capazes de modificar paredes e tetos para se adequar ao ambiente permitiriam que as condições internas fossem modificadas e melhoradas.

Vídeo 2: Madeira programável. Fonte: Self-Assembly Lab, MIT.

Medicina

Neste caso, a impressão 4D oferece a possibilidade de criar dispositivos inteligentes, personalizados e evolutivos. Por exemplo, ao imprimir um implante em 4D, sua condição e viabilidade poderiam ser mais facilmente monitoradas uma vez integrado ao paciente.

Este conceito é aplicável a toda a medicina regenerativa e fabricação de estruturas celulares. A impressão 4D permitiria que as células se adaptassem ao corpo humano dependendo de sua temperatura, por exemplo. Se falamos de medicamentos, seria possível, por exemplo, imprimir um dispositivo que liberasse a dose necessária dependendo da temperatura corporal do paciente.

Transporte

Há alguns meses, a BMW e o MIT apresentaram seu material inflável, que muda de forma e tamanho sob o efeito de pulsos de ar. As aplicações são muito interessantes, pois no futuro poderíamos ter pneus que se autorreparam em caso de furo ou se adaptam ao terreno e condições climáticas do ambiente.

No caso da indústria aeronáutica, um componente impresso em 4D poderia reagir a mudanças de pressão atmosférica ou temperatura e assim mudar sua função. A Airbus está atualmente trabalhando em tais desenvolvimentos, pois esses componentes poderiam substituir dobradiças e atuadores hidráulicos, aliviando significativamente os dispositivos. Além disso, também está trabalhando no desenvolvimento de materiais reativos ao calor para resfriar seus motores de aeronaves.

Raúl Pulido Casillas, um engenheiro espanhol, criou um tecido inteligente impresso em 4D para a NASA. A malha metálica, feita de peças de prata unidas, tem regulação térmica programada em sua impressão. Ou seja, não apenas sua forma foi impressa, mas também a função dos materiais. Como é capaz de refletir calor do lado de fora e retê-lo do lado de dentro, poderia ser um elemento ideal para fabricar trajes de astronautas ou cobrir espaçonaves.

Moda

Na indústria têxtil, a impressão 4D também está encontrando seu lugar. A possibilidade de imprimir sapatos que se adaptam ao movimento, impacto, temperatura e pressão atmosférica é uma possibilidade. O exército dos EUA já fez uma incursão neste campo e está testando uniformes que mudam de cor dependendo do ambiente, ou que regulam a transpiração dependendo do pulso do soldado ou da temperatura ambiente.

Embora ainda estejamos em sua infância, é certo que a tecnologia 4D revolucionará a fabricação e a natureza dos objetos nos próximos anos, assim como a impressão 3D fez em seu tempo.