Como é que a impressão 4D perturbará as nossas técnicas de fabrico actuais?

Em abril de 2013, Skylar Tibbits, fundador do MIT Self-Assembly Lab, organizou uma conferência TEDx na qual ele introduziu um novo conceito ao processo de impressão 3D. Pela primeira vez, ele introduziu uma quarta dimensão a esta tecnologia que já estava perturbando muitos setores. Ele explicou que a impressão 4D era como adicionar uma nova característica a um material que seria usado para impressão 3D, mais precisamente a capacidade do material de se transformar ao longo do tempo. De facto, graças à impressão 4D, um material pode mudar de forma por si só, sem qualquer intervenção humana, mas simplesmente sobre a influência de factores externos como luz, calor, vibração, etc.

Desde então, a impressão 4D tem atraído o interesse de muitas indústrias que vêem um grande potencial para a personalização de dispositivos e estruturas. De acordo com o Relatório Gartner de 2019, o interesse na impressão 4D está crescendo. Até 2023, as empresas iniciantes com foco nessa tecnologia devem atrair 300 milhões de dólares em capital de risco. Portanto, inevitavelmente, diante desta observação, nos perguntamos qual será o futuro da impressão 4D. Será que ela substituirá a fabricação de aditivos para algumas aplicações? Qual será o seu impacto na indústria?

Este objeto impresso em 3D muda gradualmente de forma devido a fatores externos. Em outras palavras, é um objeto impresso 4D | Credits: Self-Assembly Lab

Como funciona a impressão 4D?

4D impressão é fortemente inspirada pelo princípio da auto-montagem, que não é um conceito novo. Você provavelmente já ouviu falar de auto-montagem molecular onde as moléculas formam estruturas complexas sem qualquer intervenção humana. Um conceito muito utilizado, por exemplo, também na nanotecnologia. A impressão 4D leva, portanto, este princípio ao nível seguinte. Se é possível montar e deslocar pequenas estruturas à escala microscópica, porque não imaginá-las em objectos impressos em 3D de maiores dimensões?

A impressão 3D produz objectos que mantêm a sua forma fixa, a impressão 4D mudará a sua forma, mas também a sua cor, o seu tamanho, a forma como se deslocam, etc. Utiliza materiais conhecidos como materiais “inteligentes” na indústria, que foram programados para mudar de forma sob a influência de um factor externo, na maioria das vezes a temperatura, tal como quando um computador obedece ao código. Este “código” é, portanto, adicionado ao material e fornece instruções para a peça impressa em 3D. Bastien E. Rapp, Presidente do Laboratório de Tecnologia de Processos do NeptunLab, explica: “A impressão 4D é a forma funcional da impressão 3D. Em vez de imprimir apenas estruturas físicas, agora podemos imprimir funções. É como incorporar uma peça de código em um material – uma vez acionado, ele faz o que você programou para fazer”

4D printing Materials and Technologies

4D printing materials are not as varied as additive manufacturing materials because the technology is still in its infancy but it is important to note that there exists different ones. Comecemos pelos polímeros de forma-memória (SMPs), que são materiais capazes de armazenar uma forma macroscópica, preservá-la por um certo tempo e retornar à sua forma original sob o efeito do calor, sem qualquer deformação residual. Outros estímulos indiretos também podem causar a transformação: um campo magnético, um campo elétrico ou imersão em água.

Um outro material de impressão 4D são os elastômeros de cristal líquido (LCEs) que, como o nome sugere, contêm cristais líquidos sensíveis ao calor. Ao controlar a sua orientação, é possível programar a forma desejada. Sob o efeito da temperatura, o material irá se expandir e se transformar de acordo com o código ditado. O terceiro material são hidrogéis, são cadeias de polímeros compostos principalmente de água, particularmente utilizados em processos de fotopolimerização. São de grande interesse para o sector médico devido à sua biocompatibilidade.

alguns processos de impressão 4D utilizam multi-materiais. São principalmente compostos que são adicionados a SMPs ou hidrogel, tais como fibras de carbono ou madeira. O MIT Self-Assembly Lab iniciou sua pesquisa na impressão 4D a partir de uma máquina Stratasys Connex, baseada no princípio de jateamento de material, um processo multi-material. É claro que existem outros materiais de impressão 4D, como a cerâmica por exemplo, mas decidimos focar nos principais.

Créditos: Laboratório de Auto-montagem

Finalmente, todo o processo de impressão 4D reside no material. Portanto, é necessário entender como ele reagirá a certos estímulos. Bastien E. Rapp explica que “é necessário um muito bom conhecimento dos materiais para facilitar a impressão 4D”. Uma vez bem integrado, podemos utilizar diferentes tecnologias de impressão 3D: estereolitografia, jacto de material (para todos os multi-materiais), fabricação de filamentos fundidos (trabalhando com polímeros). Na maioria das vezes, a impressora 3D utilizada é uma máquina melhorada, capaz de ter em conta a 4ª dimensão. Bastien E. Rapp continua: “Dependendo da complexidade da sua 4ª dimensão, pode ser tão fácil como imprimir dois materiais em paralelo. Isto também pode envolver o aquecimento ou resfriamento do material durante o processo de fabricação. Há muitos métodos, todos os quais requerem condições específicas”

4D Aplicações de Impressão

Porque é possível programar um material inteligente como desejado, pode parecer que as aplicações da impressão 4D são bastante extensas. Imagine um objeto que pode tomar qualquer forma: a tecnologia pode então impactar o setor de construção para construir estruturas que são adaptáveis às condições climáticas, bens de consumo poderiam se ajustar às necessidades das pessoas, ou mesmo no setor médico, etc. Uma das primeiras ideias da Skylar Tibbits foi usar a impressão 4D para fazer tubos inteligentes. Estes tubos seriam capazes de mudar de forma de acordo com o volume de água que eles contêm, mas também quando qualquer fenômeno ocorresse no subsolo. Isto evitaria escavá-los e mudá-los – um processo demorado e muito caro.

Um dos setores mais interessados na impressão 4D é sem dúvida o setor médico. A impressão 4D poderia permitir a criação de dispositivos feitos à medida, inteligentes e escaláveis. Por exemplo, com a impressão 4D de um implante, seria mais fácil controlar a sua condição e viabilidade, uma vez integrado pelo paciente. O mesmo é válido para toda a medicina regenerativa e para a fabricação de estruturas celulares. A impressão 4D poderia permitir que as células se adaptassem a um corpo humano de acordo com a sua temperatura, por exemplo. Chloé Devillard, que está atualmente preparando sua tese no 3d.FAB, nos explicou: “Trabalhamos com a impressão 4D para aplicações em engenharia de tecidos e medicina regenerativa, a fim de reparar organismos vivos. Em particular, utilizo-a para reproduzir um vaso sanguíneo o mais próximo possível da realidade em termos de fisiologia, função e mecânica”. Podemos criar construções que são tão semelhantes quanto possível aos seres vivos”

3d.Fab está atualmente trabalhando em projetos de impressão 4D para criar vasos sanguíneos | Credits: 3d.Fab

Finalmente, imagine um medicamento impresso 4D que poderia liberar sua substância dependendo da temperatura corporal do paciente. É um dos projetos de pesquisa do Dr. Fang no MIT, ele explica: “Nós queremos usar a temperatura corporal como gatilho. Se conseguirmos desenhar os polímeros corretamente, podemos ser capazes de criar um dispositivo de entrega do medicamento que só liberará o medicamento se uma febre se desenvolver”

O setor de transportes no sentido amplo do termo também está interessado na impressão 4D, seja na indústria automotiva ou aeroespacial. Em 2018, falámos-lhe do material insuflável que tinha sido desenvolvido pela BMW e pelo MIT, com forma e tamanho canalizados sob o efeito de pulsos de ar. Um material interessante para a concepção de futuros pneus, por exemplo, capaz de se auto-reparar no caso de um furo ou adaptação às condições meteorológicas mais extremas. Além dos carros, também podemos falar de aeronaves. Um componente impresso 4D poderia reagir à pressão atmosférica ou às mudanças de temperatura e, portanto, mudar a função – a Airbus está atualmente trabalhando neste assunto. O gigante aeroespacial explica que estes componentes poderiam substituir dobradiças, atuadores hidráulicos e assim reduzir consideravelmente o peso destes dispositivos.

Imagine um banco que se dobra e se desdobra por si só | Créditos: Self-Assembly Lab

Finalmente, a impressão 4D é mais do que interessante para todas as aplicações que requerem um alto grau de personalização, já que é possível programar o material de acordo com as nossas necessidades. Nesta fase o conceito pode parecer estranho, mas pode imaginar roupas que tomam a forma real do nosso corpo, móveis que se dobram e se desdobram para poupar espaço, etc.

O Futuro da Impressão 4D

Embora cheia de promessas, esta tecnologia ainda tem muitas limitações: qual é a verdadeira resistência dos materiais inteligentes ao longo do tempo? Será que eles ainda serão capazes de desempenhar as suas funções a longo prazo? Muitas empresas ainda estão testando este processo de fabricação e poucas relataram seus resultados. Bastien E. Rapp nos disse que a impressão 4D envolve um certo conhecimento muito técnico, o que torna mais difícil democratizá-la tanto quanto a fabricação de aditivos. “Como este é um assunto bastante complexo, exigindo muito bom material e controle de fabricação, ele pode não se tornar tão amplamente disponível e acessível quanto a própria impressão 3D. Mas terá um impacto significativo na indústria”

BMW tem 4D impresso um material de silicone que se pode inflar a si mesmo: é este o futuro da pneumática?