Os cientistas da Virginia Tech encontraram um novo processo para imprimir borracha de látex 3D, liberando a capacidade de imprimir uma variedade de materiais elásticos com formas geométricas complexas.
O látex, comumente conhecido como substância nas luvas ou na tinta, descreve um grupo de polímeros - longas e repetidas cadeias de moléculas - enroladas dentro de nanopartículas dispersas na água. O látex impresso em 3D e outros materiais igualmente elásticos, chamados elastômeros, podem ser usados para muitos programas diferentes, como robótica eletrônica, dispositivos médicos ou amortecedores.
O látex impresso em 3D não foi documentado muitas vezes na ficção científica. Nenhum dos exemplos anteriores se aproxima dos componentes mecânicos do látex publicados por uma equipe interdisciplinar correlacionada com o Macromolecules Innovation Institute (MII), a Faculdade de Ciências e a Faculdade de Engenharia.
Por meio de novas invenções nas áreas de química e engenharia mecânica, a equipe superou algumas limitações de longa data da impressão 3D, também chamadas de fabricação aditiva. Os pesquisadores modificaram o látex líquido para fazê-los construir uma impressora 3D personalizada usando um sistema de visão computacional incorporado para imprimir recursos precisos e de alta resolução deste material de alta qualidade.
"Este projeto reflete o caso por excelência da pesquisa interdisciplinar", afirmou Timothy Long, professor de química e pesquisador principal deste projeto combinado com Christopher Williams, o L.S. Randolph Professor de engenharia mecânica e diretor interino do MII. "nenhum de nossos laboratórios seria capaz de fazer isso sem o outro."
Este projeto é uma colaboração conjunta entre a Virginia Tech e a Michelin North America por meio de um prêmio da National Science Foundation coordenado com o programa Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry, que apóia a pesquisa em equipe entre a academia e a indústria.
Avanço de materiais de reserva em matemática
Após esforços fracassados para sintetizar um material que proporcionaria o peso molecular ideal e as propriedades mecânicas, Phil Scott, um quinto ano de ciências macromoleculares e estudante de engenharia no Long Research Group, transformou-se em látex líquido comercial.
Os pesquisadores finalmente queriam essa substância em uma boa forma impressa em 3D, mas Scott primeiro teve que fortalecer a composição química para deixá-la imprimir. Scott enfrentou um desafio fundamental: o látex líquido é muito frágil e difícil de alterar para os químicos.
"O látex está no estado zen", disse Viswanath Meenakshisundaram, Ph.D. em engenharia mecânica do quinto ano. aluno do Laboratório de Design, Pesquisa e Educação para Sistemas de Manufatura Aditiva que colaborou com Scott. "Se você adicionar algo a ele, perderá completamente sua estabilidade e cairá".
Posteriormente, os químicos criaram um novo pensamento: e se Scott construísse um andaime, muito semelhante aos usados na construção civil, em torno das partículas de látex para mantê-las em posição? Dessa forma, o látex pode manter sua excelente estrutura e Scott pode adicionar fotoiniciadores e outras substâncias ao látex para permitir a impressão 3D com luz ultravioleta (UV).
"Ao projetar o andaime, a maior coisa com a qual você precisa se preocupar é a estabilidade de tudo", afirmou Scott. "Demorou muito para estudar, até coisas tão básicas quanto aprender por que os colóides são constantes e o funcionamento da estabilidade coloidal, mas foi um desafio muito interessante".
Desenvolvimento inovador de processamento em tecnologia
Enquanto Scott mexia no látex líquido, Meenakshisundaram precisava descobrir como imprimir adequadamente a resina. Os pesquisadores decidiram utilizar um procedimento chamado fotopolimerização em tanque, onde a impressora usa luz UV para curar ou endurecer uma resina viscosa de uma forma específica.
Precisando de uma impressora capaz de imprimir recursos de alta definição em uma área enorme, a Meenakshisundaram construiu uma impressora totalmente nova. Ele também Williams, seu consultor, criou a idéia de digitalizar a luz UV em uma grande região; também em 2017, eles registraram uma patente para sua impressora.
Apesar da impressora personalizada, as partículas fluidas de látex provocaram a dispersão do lado de fora da luz UV projetada na superfície da resina de látex, o que resultou na impressão de componentes imprecisos, então Meenakshisundaram criou uma segunda nova idéia. Ele colocou uma câmera na impressora para capturar uma imagem de cada barril de resina de látex. Com seu algoritmo customizado, o sistema é capaz de "ver" que a interação da luz UV na superfície da resina corrige automaticamente os parâmetros de impressão para corrigir a dispersão da resina para curar apenas a forma pretendida.
