Os engenheiros da Universidade da Flórida desenvolveram um método chamado Impressão 3D de Separação de Fase Induzida por Vapor, ou VIPS-3DP, que permite a criação de objetos de material único e multimateriais. Yong Huang, Ph.D., professor do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da UF, explicou que esta nova abordagem é econômica e sustentável. Os detalhes do processo foram publicados na revista Nature Communications.
Para entender melhor o processo, imagine usar líquidos ecológicos como “tinta” para uma impressora 3D. Esses líquidos são à base de polímeros e podem conter partículas metálicas ou cerâmicas. Ao imprimir com esta tinta, um vapor não solvente é liberado na área de impressão, fazendo com que o componente líquido da tinta se solidifique. Isso resulta no processo de separação de fases induzido por vapor, deixando para trás o material sólido.
A técnica VIPS-3DP para impressão 3D de polímeros, metais e compósitos oferece uma solução simples e econômica. Durante o processo de impressão VIPS-3D, uma tinta à base de polímero dissolvido é depositada na presença de um não solvente nebulizado. Isto faz com que o solvente de baixa volatilidade seja extraído do filamento de forma controlada devido à sua maior afinidade química com o não solvente.
Como resultado, a fase polimérica endurece in situ devido ao processo de separação de fases induzida. A baixa volatilidade do solvente permite a sua recuperação após a impressão, minimizando o seu impacto ambiental. Inicialmente, os pesquisadores demonstraram o uso do VIPS-3DP para impressão de polímeros, destacando sua capacidade de criar estruturas complexas.
Eles então expandiram isso usando VIPS-3DP para depositar tintas metálicas à base de polímeros e tintas poliméricas compósitas carregadas de pó, que podem se transformar em peças metálicas ou compósitos após a aplicação de um ciclo térmico. Além disso, o método de impressão VIPS-3D facilita a produção de estruturas porosas e peças com classificação funcional, controlando o caminho de impressão e empregando um suporte de espaço inorgânico como um porógeno intrafilamento.
Yong Huang, Ph.D., explicou que o processo VIPS-3DP permite que os fabricantes imprimam peças multimateriais em 3D com níveis variados de porosidade. Isto significa fabricar estruturas com diferentes substâncias e diferentes níveis de pequenos furos ou lacunas. A porosidade do objeto é regulada ajustando as condições de impressão e a quantidade de material sacrificial utilizado durante o processo. Isto pode ser vantajoso para a fabricação de implantes médicos porosos ou produtos aeroespaciais leves.
Marc Sole-Gras, Ph.D., o primeiro autor do artigo e ex-aluno de pós-graduação no laboratório de Huang, acrescenta que este método é particularmente promissor para a criação de produtos metálicos com níveis variados de porosidade. Por exemplo, pode ser usado na engenharia de tecidos ósseos para imprimir um implante que se integre bem às células humanas.
O processo VIPS-3DP oferece vantagens de fabricação e benefícios de sustentabilidade em comparação aos métodos de impressão tradicionais. Utiliza materiais sustentáveis e consome menos energia.
Resumindo, a pesquisa demonstra a eficácia do processo VIPS-3DP na impressão de peças à base de polímeros, utilizando um não solvente nebulizado para permitir a solidificação. O solvente utilizado pode ser reaproveitado, tornando o processo eficiente. Este mecanismo de solidificação também pode ser aplicado na impressão de peças compostas utilizando tintas coloidais à base de polímeros, permitindo a fabricação de peças de metal polimérico e cerâmica polimérica. Contudo, o conceito VIPS é necessário para a solidificação e ligação de suspensões à base de partículas cerâmicas e metálicas.
Ao introduzir um ciclo térmico para remover o polímero e induzir a sinterização no estado sólido, podem ser criadas peças metálicas puras, cerâmicas e compostas. Além disso, o processo VIPS-3DP permite a criação de peças com diversos níveis de porosidade, combinando porosidades interfilamento e intrafilamento usando um misturador. Essas peças podem encontrar aplicações em áreas como implantes ósseos com porosidade multiescala.
VIPS-3DP oferece uma abordagem alternativa para impressão de polímeros de engenharia sem a necessidade de aquecê-los ou adaptá-los para mecanismos de solidificação específicos. Também permite a criação de estruturas compostas heterogêneas usando polímero como material aglutinante. Contudo, é importante notar que a microestrutura resultante será porosa devido ao processo de separação de fases. Embora esta porosidade possa ser vantajosa para certas aplicações, não se destina a fins de suporte de carga.
Para aplicações que exigem propriedades de suporte de carga, são necessárias investigações adicionais para entender como o processo de impressão com aditivos de modelo sacrificiais afeta ou controla o tamanho dos poros. Vale ressaltar que o processo VIPS-3D pode ser implementado economicamente criando um ambiente nebulizado, enquanto os processos DIW típicos exigem que a tinta solidifique no local para manter a forma impressa.
A velocidade de impressão no VIPS-3DP é determinada pela taxa de solidificação da tinta, que é influenciada por fatores como a velocidade de difusão do vapor não solvente, taxa de mistura do polímero durante a separação de fases, concentração não solvente (neste caso, relativa umidade) e concentração de polímero. Da mesma forma, a resolução de impressão é limitada pelo tamanho do menor bico utilizável para uma determinada tinta polimérica.
É importante considerar variações pós-impressão em peças de polímero criadas usando o processo VIPS-3DP durante a fase de design. Essas variações ocorrem como resultado do mecanismo de separação de fases para solidificação. Para saber mais sobre o processo acesse o site.
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