De acordo com a Universidade de Princeton, engenheiros desenvolveram uma técnica de impressão 3D facilmente escalável para fabricar plásticos macios com elasticidade e flexibilidade programadas que também são recicláveis e baratos — qualidades normalmente não combinadas em materiais fabricados comercialmente.
Em um artigo publicado no periódico Advanced Functional Materials, uma equipe liderada por Emily Davidson relatou o uso de elastômeros termoplásticos para criar estruturas impressas em 3D macias com rigidez ajustável. Engenheiros podem projetar o caminho de impressão usado pela impressora 3D para programar as propriedades físicas do plástico para que um dispositivo possa se esticar e flexionar repetidamente em uma direção enquanto permanece rígido em outra. Davidson, um professor assistente de engenharia química e biológica, disse que essa abordagem para a engenharia de materiais arquitetados macios pode ter muitos usos, como robôs macios, dispositivos médicos e próteses, capacetes fortes e leves e solas de sapatos personalizadas de alto desempenho.
A chave para o desempenho do material é sua estrutura interna na menor escala. A equipe de pesquisa usou um tipo de copolímero em bloco que forma estruturas cilíndricas rígidas de 5 a 7 nanômetros de espessura (para comparação, o cabelo humano mede cerca de 90.000 nanômetros) dentro de uma matriz de polímero elástico. Os pesquisadores usaram impressão 3D para orientar esses cilindros em nanoescala, o que leva a um material impresso em 3D que é duro em uma direção, mas macio e elástico em quase todas as outras. Os designers podem orientar esses cilindros em diferentes direções em um único objeto – levando a arquiteturas suaves que exibem rigidez e elasticidade em várias regiões de um objeto.
O primeiro passo no desenvolvimento deste processo foi escolher o polímero certo. Os pesquisadores escolheram um elastômero termoplástico – um copolímero em bloco que pode ser aquecido e processado como um polímero fundido, mas que se solidifica em um material elástico quando esfria. No nível molecular, os polímeros são longas cadeias de moléculas ligadas. Os homopolímeros tradicionais são longas cadeias de uma molécula repetida, enquanto os copolímeros em bloco são feitos de diferentes homopolímeros conectados entre si. Essas diferentes regiões de uma cadeia de copolímero em bloco são como óleo e água – separando em vez de misturar. Os pesquisadores usaram essa propriedade para produzir material com cilindros rígidos dentro de uma matriz elástica.
Os pesquisadores usaram seu conhecimento de como essas nanoestruturas de copolímero em bloco se formam e como elas respondem ao fluxo para desenvolver uma técnica de impressão 3D que efetivamente induz o alinhamento dessas nanoestruturas rígidas. Os pesquisadores analisaram a maneira como a taxa de impressão e a subextrusão controlada poderiam ser usadas para controlar as propriedades físicas do material impresso.
Alice Fergerson, uma estudante de pós-graduação em Princeton e autora principal do artigo, falou sobre a técnica e o papel fundamental desempenhado pelo recozimento térmico – o aquecimento e resfriamento controlados de um material. “Acho que uma das partes mais legais dessa técnica são os muitos papéis que o recozimento térmico desempenha – ele melhora drasticamente as propriedades após a impressão e permite que as coisas que imprimimos sejam reutilizáveis muitas vezes e até mesmo se auto-reparem se o item for danificado ou quebrado.”
Davidson disse que um dos objetivos do projeto era criar materiais macios com propriedades mecânicas ajustáveis localmente de uma forma que fosse acessível e escalável para a indústria. É possível criar estruturas semelhantes com propriedades controladas localmente usando materiais como elastômeros de cristal líquido, mas Davidson disse que esses materiais são caros (mais de US$ 2,50 por grama) e exigem processamento em vários estágios envolvendo extrusão cuidadosamente controlada seguida de exposição à luz ultravioleta. Os elastômeros termoplásticos usados no laboratório de Davidson custam cerca de um centavo por grama e podem ser impressos com uma impressora 3D comercial.
Os pesquisadores demonstraram a capacidade de sua técnica de incorporar aditivos funcionais no elastômero termoplástico sem reduzir a capacidade de controlar as propriedades do material. Em um exemplo, eles adicionaram uma molécula orgânica desenvolvida pelo grupo do Professor Lynn Loo que faz o plástico brilhar em vermelho após a exposição à luz ultravioleta. Eles também demonstraram a capacidade da impressora de produzir estruturas complexas e multicamadas, incluindo um pequeno vaso de plástico e texto impresso que usava curvas fechadas para soletrar PRINCETON.
O recozimento desempenha um papel fundamental em seu processo, aumentando a perfeição da ordem das nanoestruturas internas. Davidson disse que o recozimento também permite propriedades de autocura do material. Como parte do trabalho, os pesquisadores cortaram uma amostra flexível do plástico impresso e a recolocaram recozendo o material. O material reparado demonstrou as mesmas características da amostra original. Os pesquisadores disseram que não observaram “nenhuma diferença significativa” entre o material original e o reparado.
Como próximo passo, a equipe de pesquisa espera começar a explorar novas arquiteturas imprimíveis em 3D que serão compatíveis com aplicações como eletrônicos vestíveis e dispositivos biomédicos.
Além de Davidson e Fergerson, os autores incluem Benjamin H. Gorse ’24, Shawn M. Maguire, um pesquisador de pós-doutorado, e Emily C. Ostermann, uma estudante de pós-graduação em engenharia química e biológica. O suporte para o projeto foi fornecido em parte pela National Science Foundation por meio de fundos Princeton PCCM SEED do Princeton Center for Complex Materials e Princeton Project X Innovation Funds. Para saber mais sobre o projeto acesse o site.
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