A maioria dos métodos de impressão 3D atualmente em uso depende de reações ativadas por luz ou calor para obter a manipulação precisa de polímeros. O desenvolvimento de uma nova tecnologia de plataforma chamada impressão direta de som (DSP), que usa ondas sonoras para produzir novos objetos, pode oferecer uma terceira opção.
O processo é descrito em um artigo publicado na Nature Communications. Ele mostra como as ondas de ultrassom focadas podem ser usadas para criar reações sonoquímicas em minúsculas regiões de cavitação – essencialmente pequenas bolhas. Extremos de temperatura e pressão que duram trilionésimos de segundo podem gerar geometrias complexas pré-projetadas que não podem ser feitas com as técnicas existentes.
“As frequências ultrassônicas já estão sendo usadas em procedimentos destrutivos como ablação a laser de tecidos e tumores. Queríamos usá-los para criar algo”, diz Muthukumaran Packirisamy, professor e Concordia Research Chair no Departamento de Engenharia Mecânica, Industrial e Aeroespacial da Escola de Engenharia e Ciência da Computação Gina Cody, Universidade Concordia. Ele é o autor correspondente do artigo.
Mohsen Habibi, pesquisador associado do Optical-Bio Microsystems Lab da Concordia, é o principal autor do artigo. Seu colega de laboratório e estudante de doutorado Shervin Foroughi e o ex-aluno de mestrado Vahid Karamzadeh são coautores.
Reações ultraprecisas
Como os pesquisadores explicam, a DSP depende de reações químicas criadas pela pressão flutuante dentro de pequenas bolhas suspensas em uma solução de polímero líquido.
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“Descobrimos que, se usarmos um certo tipo de ultrassom com uma certa frequência e potência, podemos criar regiões quimicamente reativas muito locais e muito focadas”, diz Habibi. “Basicamente, as bolhas podem ser usadas como reatores para conduzir reações químicas para transformar resina líquida em sólidos ou semi-sólidos”.
As reações causadas pela oscilação dirigida por ondas de ultrassom dentro das microbolhas são intensas, embora durem apenas picossegundos. A temperatura dentro da cavidade atinge cerca de 15.000 Kelvin e a pressão excede 1.000 bar (a pressão da superfície da Terra ao nível do mar é de cerca de um bar). O tempo de reação é tão curto que o material circundante não é afetado.
Os pesquisadores experimentaram um polímero usado na manufatura aditiva chamado polidimetilsiloxano (PDMS). Eles usaram um transdutor para gerar um campo ultrassônico que passa pela casca do material de construção e solidifica a resina líquida alvo e a deposita em uma plataforma ou outro objeto previamente solidificado. O transdutor se move ao longo de um caminho predeterminado, eventualmente criando o produto desejado pixel por pixel. Os parâmetros da microestrutura podem ser manipulados ajustando a duração da frequência da onda de ultrassom e a viscosidade do material utilizado.
Versátil e específico
Os autores acreditam que a versatilidade da DSP beneficiará indústrias que dependem de equipamentos altamente específicos e delicados. O polímero PDMS, por exemplo, é amplamente utilizado na indústria de microfluídica, onde os fabricantes exigem ambientes controlados (salas limpas) e técnicas litográficas sofisticadas para criar dispositivos médicos e biossensores.
A engenharia aeroespacial e o reparo também podem se beneficiar da DSP, pois as ondas de ultrassom penetram em superfícies opacas, como conchas metálicas. Isso pode permitir que as equipes de manutenção consertem peças localizadas nas profundezas da fuselagem de uma aeronave que seriam inacessíveis a técnicas de impressão dependentes de reações fotoativadas. A DSP pode até ter aplicações médicas para impressão remota no corpo para humanos e outros animais.
“Provamos que podemos imprimir vários materiais, incluindo polímeros e cerâmicas”, diz Packirisamy. “Vamos tentar os compósitos polímero-metal a seguir e, eventualmente, queremos imprimir em metal usando esse método”.
Saiba mais sobre a pesquisa no vídeo (em inglês) abaixo:
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