A fotopolimerização por vat é um tipo de impressão 3D que envolve a derramamento de uma resina líquida reativa à luz em um recipiente e, em seguida, a solidificação de áreas específicas com um laser ou luz ultravioleta para criar uma forma. No entanto, como esse método funciona apenas com polímeros sensíveis à luz, suas aplicações práticas são limitadas.
Alguns pesquisadores desenvolveram técnicas para transformar esses polímeros impressos em materiais mais fortes, como metais e cerâmicas, mas Daryl Yee, que lidera o Laboratório de Química de Materiais e Fabricação da Escola de Engenharia da EPFL, afirma que essas abordagens têm falhas significativas. “Esses materiais tendem a ser porosos, o que reduz significativamente sua resistência, e as peças sofrem de encolhimento excessivo, o que causa deformações”, afirma.
Para resolver essas questões, Yee e sua equipe introduziram uma nova abordagem descrita em seu artigo publicado na Advanced Materials. Em vez de endurecer uma resina já misturada com compostos metálicos, os pesquisadores primeiro imprimem em 3D uma estrutura de suporte utilizando um gel à base de água conhecido como hidrogel. Depois, eles imergem essa estrutura “em branco” em sais metálicos, que são convertidos quimicamente em pequenas nanopartículas contendo metal que se espalham pelo gel. Repetindo esse processo várias vezes, eles conseguem criar compósitos com um conteúdo metálico muito elevado.
Após 5 a 10 desses “ciclos de crescimento”, o hidrogel restante é removido por meio de aquecimento, deixando para trás um objeto denso de metal ou cerâmica que corresponde precisamente à forma do gel impresso originalmente. Como os sais metálicos são adicionados apenas após a impressão, o mesmo template de hidrogel pode ser usado para produzir uma variedade de metais, cerâmicas ou materiais compósitos diferentes.
“Nosso trabalho não só permite a fabricação de metais e cerâmicas de alta qualidade com um processo de impressão 3D acessível e de baixo custo; como também destaca um novo paradigma na fabricação aditiva, onde a seleção do material ocorre após a impressão em 3D, em vez de antes”, resume Yee.
Focando em arquiteturas 3D avançadas
Para seu estudo, a equipe fabricou formas complexas de malhas matemáticas chamadas giroides a partir de ferro, prata e cobre, demonstrando a capacidade de sua técnica de produzir estruturas fortes e complexas. Para testar a resistência de seus materiais, utilizaram um dispositivo chamado máquina de ensaio universal para aplicar pressão crescente aos giroides.
“Nossos materiais puderam suportar 20 vezes mais pressão em comparação com aqueles produzidos por métodos anteriores, exibindo apenas 20% de encolhimento em vez de 60-90%”, afirma o estudante de doutorado e primeiro autor Yiming Ji.
Os cientistas afirmam que sua técnica é especialmente interessante para a fabricação de arquiteturas 3D avançadas que precisam ser simultaneamente fortes, leves e complexas, como sensores, dispositivos biomédicos ou dispositivos para conversão e armazenamento de energia. Por exemplo, catalisadores metálicos são essenciais para permitir reações que convertem energia química em eletricidade. Outras aplicações podem incluir metais de alta área de superfície com propriedades avançadas de resfriamento para tecnologias energéticas.
Olhando para o futuro, a equipe está trabalhando para melhorar seu processo para facilitar a adoção pela indústria, notavelmente aumentando a densidade de seus materiais. Outro objetivo é a velocidade: os passos repetidos de infusão, embora essenciais para a produção de materiais mais fortes, tornam o método mais demorado em comparação com outras técnicas de impressão 3D para a conversão de polímeros em metais. “Estamos trabalhando para reduzir o tempo total de processamento utilizando um robô para automatizar esses passos”, diz Yee.
