Impressão 4D: O Futuro da Impressão 3D

E se os tubos se pudessem fixar automaticamente se rachar ou partir, ou se a roupa pudesse mudar de acordo com o tempo ou a actividade que o utilizador está a fazer? Móveis que se montam, próteses que se adaptam ao crescimento... Estas são apenas algumas das possíveis aplicações que a tecnologia de impressão 4D prevê.

Imagem 1: Garra impressa em 4D modificando a sua forma. Fonte: Sculpteo.

A impressão 3D existe há quase 30 anos e enquanto ainda se encontra em processo de investigação, descobrindo novos materiais e aplicações, novas tecnologias como a 4D surgiram.

No MIT Self-assembly Lab, desenvolveram um projecto do qual a impressão 4D faz parte. O seu objectivo é combinar tecnologia e design para inventar materiais programáveis e tecnologias de auto-montagem com o objectivo de reinventar a construção, fabrico, montagem de produtos e desempenho. Entretanto, um estudo do Instituto Wyss (parte da Universidade de Harvard) conseguiu imprimir um objecto que, quando entra em contacto com a água, muda de forma, resultando numa espécie de floração das suas extremidades. Desenvolveram um material baseado em estruturas naturais, tais como plantas, que foi injectado com fibras celulósicas durante o processo de impressão.

Vídeo 1: Arquitectura de mudança de forma. Fonte: Universidade de Harvard.

O que é a impressão 4D?

Inspirado pelo princípio da auto-montagem, a impressão 4D é o processo pelo qual um objecto impresso em 3D é transformado numa estrutura diferente pela influência da entrada de energia externa, como a temperatura, luz ou outros estímulos ambientais. Ou seja, obter um objecto através da tecnologia 3D que, graças às propriedades do material a partir do qual é fabricado, é capaz de mudar quando sujeito a um estímulo ambiental.

Esta é precisamente a diferença entre a tecnologia 3D e 4D: a capacidade dos objectos de se transformarem ao longo do tempo sem intervenção humana.

Materiais utilizados

A chave para a impressão 4D não é tanto o processo, baseado nas conhecidas impressoras 3D, mas sim os materiais. Como se trata de uma tecnologia bastante nova, os materiais disponíveis não são tão variados como os utilizados para a impressão standard em 3D. No entanto, há algumas muito interessantes.

SMP (polímeros de memória de forma)

Polímeros que permanecem rígidos à temperatura ambiente e que oferecem propriedades especiais quando atingem o ponto de transição vítrea. Um exemplo é o TPU SMP da Convena: um filamento 4D com uma composição baseada em TPU (poliuretano termoplástico) que permite o pós-processamento para modificar a forma das peças impressas em 3D. Graças à sua composição especial e tecnologia de Polímero de Memória de Forma, as peças impressas com este filamento podem ser modificadas manualmente, permitindo-lhes adquirir outra forma e mantê-la ao longo do tempo.

O processo de modificação da forma de uma peça impressa em 3D com filamento SMP TPU consiste em colocar a peça impressa em 3D num recipiente com água quente até atingir a sua temperatura de transição vítrea. Neste ponto, a peça amolece e o utilizador pode facilmente modificar a sua forma. Uma vez arrefecida, a peça mantém a forma adquirida e permanece estável. Além disso, as peças impressas em 3D com filamento SMP TPU podem ser restauradas à sua forma original, invertendo o processo. Por outras palavras, a temperatura de transição vítrea do material é novamente atingida.

LCE (elastómeros de cristal líquido)

Contêm cristais líquidos que são sensíveis ao calor. Ao controlar a sua orientação, a forma desejada pode ser programada: sob o efeito da temperatura, o material relaxará e transformar-se-á de acordo com o código ditado.

Hidrogel

Cadeias de polímeros que consistem principalmente em água, particularmente utilizada em processos de fotopolimerização. Estes últimos estão concentrados no sector médico devido à sua biocompatibilidade.

Além disso, alguns processos de impressão 4D podem utilizar vários materiais; principalmente compósitos como madeira ou carbono, que são adicionados ao SMP ou hidrogel. Isto resulta em objectos com áreas rígidas e móveis.

Aplicações

Dadas as muitas vantagens destes materiais inteligentes, as aplicações da impressão 4D são inumeráveis.

Construção

A construção de estruturas adaptadas ao clima, tais como pontes, abrigos ou outras instalações, constituiria um enorme passo em frente neste domínio. Tijolos 4D capazes de modificar paredes e telhados para se adaptarem ao ambiente, permitiriam modificar e melhorar as condições interiores.

Video 2: Madeira programável. Fonte: Self-Assembly Lab, MIT.

Medicina

Neste caso, a impressão 4D oferece a possibilidade de criar dispositivos feitos à medida, inteligentes e evolutivos. Por exemplo, ao imprimir um implante 4D, o seu estado e viabilidade poderiam ser mais facilmente monitorizados uma vez integrados no paciente.

Este conceito é aplicável a toda a medicina regenerativa e ao fabrico de estruturas celulares. A impressão 4D permitiria às células adaptarem-se ao corpo humano em função da sua temperatura, por exemplo. Se falarmos de medicamentos, seria possível, por exemplo, imprimir um dispositivo que libertasse a dose necessária, dependendo da temperatura corporal do paciente.

Transportes

Há alguns meses atrás, a BMW e o MIT apresentaram o seu material insuflável, que muda de forma e tamanho sob o efeito de pulsos de ar. As aplicações são muito interessantes, pois no futuro poderemos ter pneus que possam reparar-se a si próprios em caso de furo ou adaptar-se ao terreno e às condições meteorológicas do ambiente.

No caso da indústria aeronáutica, um componente impresso 4D poderia reagir à pressão atmosférica ou às mudanças de temperatura e assim alterar a sua função. A Airbus está actualmente a trabalhar em tais desenvolvimentos, uma vez que estes componentes poderiam substituir dobradiças e actuadores hidráulicos, aliviando significativamente os dispositivos. Além disso, está também a trabalhar no desenvolvimento de materiais termo-reactivos para arrefecer os seus motores de avião.

Raúl Pulido Casillas, um engenheiro espanhol, criou um tecido inteligente estampado em 4D para a NASA. A malha metálica, feita de peças de prata unidas entre si, tem regulação térmica programada na sua impressão. Por outras palavras, não só a sua forma foi impressa, mas também a função dos materiais. Como é capaz de reflectir calor no exterior e retê-lo no interior, poderia ser um elemento ideal para fazer fatos de astronauta ou cobrir naves espaciais.

Moda

Na indústria têxtil, a estampagem 4D também está a encontrar o seu lugar. A possibilidade de imprimir sapatos que se adaptem ao movimento, impacto, temperatura e pressão atmosférica é uma possibilidade. Os militares dos EUA já fizeram uma incursão neste campo e estão a testar uniformes que mudam de cor dependendo do ambiente, ou que regulam a transpiração, dependendo do pulso do soldado ou da temperatura ambiente.

Embora ainda estejamos na sua infância, é certo que a tecnologia 4D irá revolucionar o fabrico e a natureza dos objectos durante os próximos anos, tal como a impressão 3D fez nos seus dias.