Impressão 3D perto de peças de forma líquida sem poste

5 de junho de 2023

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por Lynn Shea, Engenharia Mecânica da Carnegie Mellon University

O professor da Universidade Carnegie Mellon, Rahul Panat, e sua equipe, estavam desenvolvendo um novo tipo de dispositivo de Interface Cérebro-Computador (ou BCI) impresso em 3D, onde micropilares personalizados capturam os sinais de comunicação dos neurônios quando se deparam com um problema inesperado: os micropilares na matriz dobrado durante a sinterização. Esses dispositivos BCI, agora chamados de "CMU Arrays", empilham milhões de nanopartículas de metal no espaço 3D e depois sinterizam, ou seja, fundem-nas.

Em uma ilustração bastante dramática, um filme de lapso de tempo de seu experimento, os micropilares de prata se abriram de maneira altamente coordenada como uma flor desabrochando durante o processo de sinterização de 12 horas a 150-300 °C. Esse fenômeno foi completamente inesperado, pois a teoria da sinterização não prevê distorção permanente, mesmo sob temperaturas variáveis.

Panat liderou uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da Carnegie Mellon e da Washington State University em uma missão para não apenas determinar por que havia tal distorção, mas, mais importante, encontrar uma maneira de controlá-la. Na verdade, se controlada, a pesquisa levaria à primeira ilustração mundial de sinterização como mecanismo de "impressão 4D", uma disciplina relativamente nova dentro da Manufatura Aditiva (AM), onde objetos impressos em 3D são transformados em outra forma usando fontes como calor, água, ou outros estímulos ambientais.

Por meio de sua investigação, a equipe provou conclusivamente que o transporte em massa era necessário para causar a mudança de forma permanente. Eles definiram dois possíveis mecanismos de distorção e formularam um modelo contínuo inédito que prevê com precisão a distorção e os parâmetros que a controlam. Suas descobertas foram publicadas na última edição da revista Nature Communications Sandra Ritchie, Ph.D. sênior. candidato em Engenharia Mecânica, é o aluno líder do estudo.

"É muito empolgante podermos resolver um problema fundamental na manufatura aditiva que era a principal barreira para obter peças com formato quase líquido usando AM. Essas peças não requerem processamento adicional, o que reduz custos e economiza energia", disse Panat, que acrescentou: "A ideia de sinterização como forma de obter a impressão 4D abrirá novas direções de pesquisa". Como os esforços atuais para reduzir a distorção na impressão 3D são amplamente limitados a abordagens tediosas de tentativa e erro, resolver esse problema pode ser um facilitador importante para o avanço da tecnologia de manufatura aditiva.

Os experimentos usando micropilares foram empolgantes, mas para restringir a mudança de forma a uma direção, os autores criaram um novo conjunto de experimentos para criar microparedes de 20 e 35 μm de espessura. A imagem óptica pode então ser usada para medir com precisão a distorção (dobra neste caso). Como foi o caso dos micropilares, a curvatura das microparedes aumentou à medida que a sinterização atingiu um valor de pico, antes de exibir uma leve recuperação. Medições térmicas mostraram que as microparedes sempre se curvam para o lado mais quente, indicando transporte de massa via sinterização diferencial.

Esta pesquisa aborda uma questão fundamental na manufatura aditiva e espera-se que abra pesquisas que Panat espera continuar em microscopia operando para observar o transporte de massa durante a distorção, controle de temperatura para obter impressão 4D em diferentes configurações e o desenvolvimento de modelos que prevêem a mudança de forma para formas complexas como seria de esperar em grandes peças para indústrias como estruturas aeroespaciais.