Uma equipe de pesquisadores da EPFL demonstrou um novo método para produzir estruturas cerâmicas e metálicas de alta densidade usando fotopolimerização em cuba (VP) com retração significativamente reduzida [link para o estudo completo]. O processo, baseado na infusão-precipitação repetida de íons metálicos em estruturas de hidrogel, permite a fabricação aditiva de arquiteturas mecanicamente robustas com fidelidade dimensional, densidade e escalabilidade aprimoradas — superando as limitações de longa data da fabricação tradicional de metal e cerâmica baseada em VP.
Desvinculando a contração da fidelidade do material
As técnicas convencionais de impressão vetorial (VP) para materiais não poliméricos dependem de suspensões de partículas de alta viscosidade ou de fotorresinas híbridas inorgânicas-orgânicas, ambas com baixa resolução de impressão, seleção limitada de materiais e alta contração durante a conversão térmica. Embora abordagens recentes que utilizam soluções aquosas de sais metálicos tenham melhorado a imprimibilidade, historicamente elas resultam em contração linear excessiva de 50 a 90%, o que compromete a integridade estrutural.
O novo processo, desenvolvido por Yiming Ji, Ying Hong, Dhruv R. Bhandari e Daryl W. Yee, introduz uma estratégia pós-impressão que transforma quimicamente hidrogéis “em branco” impressos em 3D em compósitos com alto teor de metal por meio de ciclos repetidos de infusão de íons metálicos e precipitação in situ de nanopartículas. O tratamento térmico converte então os compósitos em estruturas cerâmicas ou metálicas densas. Essa abordagem de infusão-precipitação permite cargas de íons metálicos de até 79% em peso, valores significativamente superiores aos alcançáveis com os métodos compatíveis com VP existentes.
Como resultado, as contrações lineares foram reduzidas para até 20% em óxidos cerâmicos e 38–46% em estruturas metálicas, com densidades teóricas superiores a 84%. Medições experimentais utilizando microtomografia computadorizada confirmaram esses ganhos de densidade. A redução na contração se traduziu diretamente em melhor desempenho mecânico, com estruturas de ferro fabricadas pelo novo método atingindo resistências à compressão de até 5 MPa — mais de 25 vezes superiores às fabricadas utilizando técnicas anteriores de manufatura aditiva por infusão de hidrogel (HIAM).
Habilitando estruturas em escala de aplicação
Em contraste com as estratégias típicas de tolerância à contração que priorizam a miniaturização, o processo de baixa contração expande a gama de geometrias e tamanhos de componentes fabricáveis. Os pesquisadores imprimiram com sucesso giroides de ferro em escala centimétrica, stents, engrenagens e estruturas de prata com paredes abaixo de 100 µm. O processo foi ainda estendido para a fabricação de cerâmicas magnéticas duras, como a hexaferrita de estrôncio (SrFe₁₂O₁₉), demonstrando sua capacidade de produzir materiais funcionais complexos sem alterar as formulações de resina base.
A equipe destacou a modularidade e a relação custo-benefício do método, que requer apenas uma impressora de processamento de luz digital (DLP) padrão, sais metálicos comerciais e um forno tubular — evitando a infraestrutura cara e as restrições de materiais associadas à fusão em leito de pó ou à sinterização seletiva a laser (SLS).
“Este trabalho abre novas possibilidades para o design de materiais arquitetados, superando as antigas limitações entre contração, fidelidade e diversidade de materiais na manufatura aditiva baseada em fotopolímeros”, disse Daryl W. Yee, professor assistente da EPFL e autor sênior do estudo.
O estudo, publicado na revista Advanced Materials, sugere que o método de infusão-precipitação pode ser adaptado a outras plataformas de manufatura aditiva onde a clareza óptica e a resolução de detalhes são fundamentais, incluindo impressão volumétrica e litografia de dois fótons. Os autores observam que a automatização dos ciclos de infusão e do manuseio do hidrogel poderia melhorar ainda mais a escalabilidade para aplicações industriais. Para saber mais sobre o método, acesse o site.
