Impressão direta por som aumenta versatilidade da impressão 3D

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/06/2022

Princípio de funcionamento da impressão 3D por ultrassom.
[Imagem: Mohsen Habibi et al. - 10.1038/s41467-022-29395-1]

Impressão 3D por sonoquímica

A maioria dos métodos de impressão 3D atualmente em uso depende de reações ativadas por luz (foto) ou calor (térmica) para obter a manipulação precisa de polímeros.

Uma terceira opção acaba de surgir agora, com os primeiros passos para o desenvolvimento de uma nova tecnologia chamada impressão direta por som (IDS), que usa ondas sonoras para produzir objetos tridimensionais.

"As frequências ultrassônicas já estão sendo usadas em procedimentos destrutivos, como ablação a laser de tecidos e tumores. Queríamos usá-las para criar algo," disse o professor Muthukumaran Packirisamy, da Universidade Concórdia, no Canadá.

Nesse processo, ondas de ultrassom focalizadas são usadas para criar reações sonoquímicas - química induzida por som - em minúsculas regiões de cavitação, essencialmente pequenas bolhas. Extremos de temperatura e pressão criadas nessas regiões de cavitação, durando meros trilionésimos de segundo, são os responsáveis por gerar geometrias muito complexas, que não podem ser feitas com as técnicas existentes.

"Descobrimos que, se usarmos um certo tipo de ultrassom com uma certa frequência e potência, podemos criar regiões quimicamente reativas muito locais e muito focadas," explicou o pesquisador Mohsen Habibi. "Basicamente, as bolhas podem ser usadas como reatores para conduzir reações químicas para transformar resina líquida em sólidos ou semi-sólidos."

Os primeiros testes foram feitos com polímeros e cerâmicas. Agora a equipe quer partir para os metais.
[Imagem: Mohsen Habibi et al. - 10.1038/s41467-022-29395-1]

Impressão direta por som

A IDS (impressão direta por som) constrói aditivamente objetos 3D usando as reações químicas criadas pela pressão e temperatura variáveis dentro das pequenas bolhas criadas em uma solução.

As reações causadas pela oscilação dirigida das ondas de ultrassom dentro das microbolhas são intensas, embora durem apenas picossegundos (10^-12 segundo). A temperatura dentro da cavidade atinge impressionantes 14.700 ºC e a pressão supera 1.000 bar (a pressão da superfície da Terra ao nível do mar é de cerca de um bar). O tempo de reação é tão curto que o material circundante não é afetado, apenas o chamado vóxel, o equivalente 3D de um píxel.

Os pesquisadores fizeram seus primeiros testes em um polímero já usado na manufatura aditiva chamado polidimetilsiloxano (PDMS). Eles usaram um transdutor para gerar um campo ultrassônico que atravessa o material, incluindo as paredes do recipiente, solidificando a resina líquida no ponto focal e a deposita em uma plataforma ou outro objeto previamente solidificado.

O transdutor se move ao longo de um caminho predeterminado, construindo o objeto desejado vóxel por vóxel. Os parâmetros da microestrutura podem ser controlados ajustando-se a duração da frequência da onda de ultrassom e a viscosidade do material utilizado.

Usos práticos da impressão sônica

A equipe acredita que a versatilidade da impressão por ultrassom beneficiará indústrias que dependem de equipamentos altamente específicos e delicados. O polímero PDMS, por exemplo, é amplamente utilizado na indústria de microfluídica, onde se exigem ambientes controlados (salas limpas) para criar biochips, dispositivos médicos e biossensores.

A engenharia também pode se beneficiar desta nova técnica de impressão 3D porque as ondas de ultrassom penetram em superfícies opacas, como invólucros metálicos, e podem ser focadas em espaços confinados. Isso pode permitir consertar peças localizadas dentro de veículos e aviões, peças que seriam inacessíveis a técnicas de impressão dependentes de reações fotoativadas.

"Nós provamos que podemos imprimir vários materiais, incluindo polímeros e cerâmicas," disse Packirisamy. "Agora vamos testar compósitos metal-poliméricos e, eventualmente, queremos começar a imprimir metais usando este método."

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