Os engenheiros de Princeton desenvolveram uma tecnologia de impressão tridimensional escalonável para produzir plásticos macios com elasticidade e flexibilidade personalizáveis, que também são recicláveis e econômicos – propriedades que raramente são combinadas em materiais disponíveis comercialmente.
Em um estudo publicado na Advanced Functional Materials, uma equipe de pesquisa liderada por Emily Davidson detalha como usaram elastômeros termoplásticos, uma classe de polímeros amplamente disponível, para criar estruturas impressas em 3D com rigidez ajustável. Ao projetar o caminho de impressão de uma impressora 3D, os engenheiros podem programar as propriedades físicas do plástico para que o dispositivo se estique e flexione em uma direção enquanto permanece rígido em outra.
Davidson, professor assistente de engenharia química e biológica, destacou as aplicações potenciais da tecnologia em áreas como robótica leve, dispositivos médicos, próteses, capacetes leves e solas de calçados personalizadas de alto desempenho.
A chave para o desempenho de um material está na sua mais ínfima estrutura interna. A equipe usou um copolímero em bloco que forma estruturas cilíndricas rígidas com espessura de 5 a 7 nanômetros (para comparação, um cabelo humano tem cerca de 90.000 nanômetros de espessura) em uma matriz polimérica flexível. Os pesquisadores usaram tecnologia de impressão 3D para orientar esses cilindros em nanoescala, resultando em um material impresso em 3D que é rígido em uma direção, mas macio e elástico em quase todas as outras direções. Os projetistas podem orientar esses cilindros em diferentes direções em um único objeto, criando estruturas suaves que apresentam rigidez e elasticidade em diferentes áreas do objeto.
"Os elastômeros que usamos formam nanoestruturas que podemos controlar. Isso dá aos designers um grande controle sobre o produto acabado. Podemos criar materiais com propriedades personalizadas em diferentes direções", disse Davidson.
O primeiro passo no desenvolvimento de tal processo é selecionar o polímero apropriado. Os pesquisadores escolheram um elastômero termoplástico, um copolímero em bloco que pode ser aquecido e processado como um polímero fundido, mas que solidifica em um material elástico quando resfriado. A nível molecular, os polímeros são longas cadeias de moléculas interligadas. Enquanto os homopolímeros tradicionais são longas cadeias de moléculas repetidas, os copolímeros em bloco são feitos de diferentes homopolímeros ligados entre si. Essas diferentes regiões da cadeia do copolímero em bloco são como óleo e água: elas se separam umas das outras em vez de se misturarem. Os pesquisadores exploraram essa propriedade para produzir um material contendo cilindros rígidos dentro de uma matriz extensível.
Os pesquisadores usaram sua compreensão de como essas nanoestruturas de copolímero em bloco se formam e respondem ao fluxo para desenvolver uma tecnologia de impressão 3D que efetivamente força o alinhamento dessas nanoestruturas rígidas. Os pesquisadores analisaram como a velocidade de impressão e a subextrusão controlada podem ser usadas para controlar as propriedades físicas dos materiais impressos.
Alice Fergerson, primeira autora do artigo e estudante de pós-graduação na Universidade de Princeton, apresentou a tecnologia e o papel fundamental desempenhado pelo recozimento térmico - o aquecimento e resfriamento controlados de materiais.
“Acho que uma das partes mais interessantes desta tecnologia são as múltiplas funções que o recozimento térmico desempenha – ele pode melhorar drasticamente o desempenho pós-impressão e permitir que nossos itens impressos sejam reutilizados diversas vezes e até mesmo reparados se estiverem danificados ou quebrados.”
Davidson disse que um dos objetivos do projeto é criar materiais macios com propriedades mecânicas ajustáveis localmente que sejam acessíveis e escaláveis para a indústria. Estruturas semelhantes com propriedades controláveis localmente podem ser criadas usando materiais como elastômeros de cristal líquido. Mas esses materiais são caros (até mais de US$ 2,50 por grama) e exigem várias etapas, incluindo extrusão cuidadosamente controlada e depois exposição à luz UV, disse Davidson. O elastômero termoplástico usado pelo laboratório de Davidson custa cerca de 1 centavo por grama e pode ser impresso em impressoras 3D comerciais.
Os pesquisadores demonstraram a capacidade de sua tecnologia de incorporar aditivos funcionais em elastômeros termoplásticos sem reduzir a capacidade de controlar as propriedades do material. Num exemplo, eles adicionaram uma molécula orgânica desenvolvida pelo grupo de pesquisa do professor Lynn Loo que faz o plástico brilhar em vermelho quando exposto à luz ultravioleta. Eles também demonstraram a capacidade da impressora de produzir estruturas complexas de múltiplas camadas, incluindo um pequeno vaso de plástico e texto impresso soletrando PRINCETON em curvas fechadas.
O recozimento desempenha um papel fundamental no seu processo, melhorando a perfeição da ordem nanoestrutural interna. O recozimento também permite as propriedades de autocura do material, disse Davidson. Como parte desse trabalho, os pesquisadores podem cortar amostras flexíveis do plástico impresso e unir novamente o material por meio de recozimento. O material reparado apresenta as mesmas propriedades da amostra original. Os pesquisadores disseram que não observaram “nenhuma diferença significativa” entre os materiais originais e reparados.
Como próximo passo, a equipe de pesquisa começará a explorar novas arquiteturas tridimensionais imprimíveis que seriam compatíveis com aplicações como eletrônicos vestíveis e dispositivos biomédicos.
Compilado de /scitechdaily