Origami e termoplásticos adicionam dimensão totalmente nova à impressão 3D

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/07/2023

Exemplos de objetos fabricados com a nova técnica de impressão 4D.
[Imagem: Koya Narumi et al. - 10.1145/3592409]

Impressão 3D baseada em origami

Um programa de computador e uma nova receita de materiais promete alterar dramaticamente a cena da impressão 3D.

Hoje, a construção de qualquer peça exige a deposição de múltiplas camadas 2D para formar um objeto 3D. Acontece que, a menos que você só queira imprimir pirâmides, é necessário criar suportes porque as camadas superiores não necessariamente se encaixam nas de baixo.

Para resolver esse problema, Koya Narumi e colegas da Universidade de Tóquio, no Japão, combinaram a impressão das camadas 2D, origami e química, criando um método de fabricação rápida de objetos 3D sem a necessidade de suportes, dispensando o trabalho de pós-produção e evitando a geração de resíduos.

Depois de impressas na forma de folhas 2D, as formas se dobram automaticamente em segundos para formar objetos 3D, viabilizando uma técnica conhecida como impressão 4D.

"Essencialmente, estamos criando folhas planas com padrões de origami nelas, e esses padrões podem ser complexos, exigindo até mesmo horas de trabalho de um artista de origami habilidoso para se formar. Mas, graças ao nosso processo especial, você pode derramar água quente sobre essas folhas planas e observar como elas se transformam em formas 3D complexas em questão de segundos," disse o professor Narumi.

No origami, existem dois tipos principais de vincos usados: Dobras de vale e dobras de montanha. Para fazer essas dobras, são deixados espaços em um lado da folha termorretrátil para permitir que, quando o calor é aplicado, essa parte da folha se dobre para dentro, como um vale, ou para fora, como uma montanha.
[Imagem: Koya Narumi et al. - 10.1145/3592409]

Impressão 3D com termoplástico

A técnica emprega um tipo especial de impressora a jato de tinta, feita para imprimir com materiais reativos à luz ultravioleta (UV). Embora uma máquina dessas possa custar dezenas de milhares de dólares, elas são frequentemente encontradas em comunidades de criadores e oficinas compartilhadas.

A impressora imprime um desenho de origami 2D em ambos os lados de uma folha de termoplástico, um plástico que encolhe com o calor. O material usado como tinta não encolhe, e ainda pode ficar flexível quando seca.

Como a folha de base encolhe quando aquecida e a tinta resiste ao encolhimento, deixar lacunas entre as seções de tinta de um lado ou do outro permite controlar de que maneira uma determinada seção da folha irá se dobrar quando aquecida. O calor é aplicado por água quente, fazendo a folha se dobrar espontaneamente em uma intrincada construção de origami.

Embora as folhas de origami impressas sejam essencialmente planas, elas combinam muitas camadas de tintas diferentes acima e abaixo do material central termorretrátil.
[Imagem: Koya Narumi et al. - 10.1145/3592409]

Algoritmo, seleção de equipamentos e materiais

O base do trabalho está em um algoritmo que distribui automaticamente as lacunas nos dois lados das folhas, para permitir que elas se dobrem perfeitamente da maneira esperada. Mas colocar a ideia em prática exigiu muito mais do que programação.

"Nosso maior desafio foi refinar as opções de hardware e de materiais, levando mais de um ano para que chegássemos às escolhas finais", disse Narumi. "Mas todas as tentativas e erros valeram a pena; em comparação com pesquisas anteriores envolvendo essa mesma ideia básica, melhoramos a resolução de saída em 1.200 vezes, o que significa que os designs que podemos criar não são apenas novidades, mas podem ser usados para aplicações reais."

A equipe espera que essa inovação possa ser usada em vários campos, como na moda, onde o desperdício de material costuma ser alto, especialmente em áreas onde se procura designs sob medida.

Eles também estão planejando incorporar materiais funcionais, como tintas condutoras ou magnéticas, que podem permitir a construção de máquinas ou outros dispositivos funcionais.

O algoritmo decompõe um objeto de entrada 3D e produz um padrão 2D, algo que leva tempo, paciência e muita tentativa e erro de um artista humano.
[Imagem: Koya Narumi et al. - 10.1145/3592409]

Oportunidade de mercado

Como as formas pré-dobradas são totalmente planas, esta nova técnica abre espaço para a prestação de serviços, com os designs impressos sendo enviados por correio, bastando então que o destinatário os aqueça para transformá-los no objeto encomendado.

Outra oportunidade de mercado apontado pela equipe envolve o envio de suprimentos e materiais para áreas de desastres e situações de emergência, onde certos itens, incluindo itens médicos, são necessários, mas muitas vezes são difíceis de transportar, com tudo ficando muito mais fácil se os itens necessários forem essencialmente planos.

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