Amostras de Negócios Objetivo #1
Introdução
4D Impressão – Definição
A introdução da quarta dimensão à tecnologia de impressão 3D é denominada “Impressão 4D”. Com esta nova dimensão, os objectos impressos em 3D possuem a capacidade de mudar a sua forma por si mesmos sobre a influência de estímulos externos, tais como luz, calor, electricidade, campo magnético, etc. Ao integrar a dimensão do tempo, os objectos impressos mudam a sua forma dinamicamente com base nas necessidades e exigências da situação, sem quaisquer peças electromecânicas ou peças móveis. Este fenómeno de mudança de forma dos objectos impressos em 3D baseia-se na capacidade de transformação do material ao longo do tempo em resposta a estímulos específicos, e não requer intervenção humana para auxiliar o processo.
Emergência da Impressão 4D da Impressão 3D
3D, uma técnica de fabricação aditiva, é considerada como uma das inovações mais perturbadoras no campo da fabricação moderna. Ela transformou completamente a forma como as peças/componentes e equipamentos são fabricados na indústria, juntamente com o seu design e desenvolvimento. A impressão 3D permite aos fabricantes e pesquisadores desenvolver formas e estruturas complexas, que antes eram consideradas impossíveis com os métodos tradicionais de fabricação. A tecnologia de impressão 3D tem testemunhado avanços contínuos nas últimas 3 décadas e tem evoluído drasticamente. Apesar da sua capacidade de criar designs complexos, de inspiração biológica e multi-material, a impressão 3D ainda não está pronta para ser adoptada na produção em grande escala.
A crescente necessidade de objectos flexíveis em várias aplicações, tais como embalagens auto-dobráveis, turbinas eólicas adaptáveis, etc., alimentou o aparecimento da impressão 4D. Os pesquisadores estão atualmente olhando à frente da impressão 3D convencional, que fabrica estruturas a partir de um único material, para desenvolver uma estrutura meta-material. A estrutura meta-material é gerada pela combinação de diferentes materiais que fornecem respostas estruturais sobrepostas quando ativadas por estímulos externos. A impressão congruente de diferentes materiais irá formar anisotropia do material, que permite que o objeto mude a estrutura dobrando, alongando, torcendo e ondulando ao longo de seus eixos. Os pesquisadores estão trabalhando na expansão destas mudanças estruturais para criar armários, elevadores, microtubos, robôs macios, brinquedos, etc. Esta capacidade dos objetos de transformar sua estrutura ao longo do tempo usando o comportamento de diferentes materiais é denominada impressão 4D.
As principais diferenças entre a impressão 3D e a impressão 4D são o uso de materiais a serem impressos e a facilidade de impressão. Os quadros 1 e 2 abaixo explicam as maiores diferenças entre a impressão 3D e 4D.
4D Materiais e Tecnologias de Impressão
Áreas de Maior Pesquisa
Como a tecnologia de impressão 4D ainda está em seu estágio inicial, os materiais utilizados para ela são mínimos. Entretanto, espera-se que a pesquisa e o avanço na impressão 3D proporcionem novas oportunidades para a impressão 4D. As principais áreas de pesquisa atualmente em foco com respeito à impressão 4D estão representadas no Quadro 3 abaixo.
Smart Material é uma das áreas de pesquisa altamente focadas na impressão 4D, onde o mecanismo de deformação de vários materiais é sintetizado de acordo com suas respostas a vários estímulos externos. O Design de Equipamento trata do desenvolvimento de tecnologia avançada de impressão, que pode imprimir vários materiais de forma congruente. Atualmente, os pesquisadores usam a cura direta a jato de tinta, modelagem de deposição fundida, estereolitografia, bioimpressão assistida por laser e métodos seletivos de fusão a laser para impressão 4D. A pesquisa em Modelagem Matemática é essencial para a compreensão das estruturas funcionais dos objetos impressos 4D. Ela prevê o processo de deformação (para frente) e formação (para trás) de um objeto desencadeado por estímulos.
Seleção de materiais
Materiais para impressão 4D são classificados com base em seu ambiente ou nos estímulos externos com os quais eles reagem. As classes actuais de materiais inteligentes são actualmente classificadas nas seguintes categorias:
Materiais para impressão 4D
Estes materiais funcionam no mecanismo do Efeito de Memória de Forma (SME). Eles são classificados em Ligas de Memória de Forma (SMA), Polímeros de Memória de Forma (SMP), Híbridos de Memória de Forma (SMH), Cerâmica de Memória de Forma (SMC), e Géis de Memória de Forma (SMG). A maioria dos pesquisadores prefere os SMPs, pois se torna fácil de imprimir nestes materiais. Eles formam e deformam quando o calor ou energia térmica é aplicada como um estímulo.
Materiais que reagem quando em contato com água ou umidade são classificados nesta categoria. Tais materiais são amplamente preferidos pelos pesquisadores, pois a água está disponível em abundância, e pode ser usada em uma ampla gama de aplicações. O hidrogel é um dos materiais inteligentes que se enquadram nesta categoria, pois reage vigorosamente com a água. Por exemplo, os hidrogéis podem aumentar seu tamanho em até 200% do seu volume original, quando em contato com a água.
Photo/Electro/Magneto Materiais Responsivos
Estes materiais reagem com luz, corrente e campos magnéticos. Por exemplo, quando os cromóforos foto-respondentes são infundidos com géis de polímero em locais específicos, eles incham absorvendo a luz quando expostos à luz natural. Da mesma forma, quando a corrente é aplicada a um objeto que contém etanol, ele evapora, aumentando assim seu volume e expandindo a matriz geral. Nanopartículas magnéticas são embutidas no objeto impresso para obter controle magnético do objeto.
Aplicações da impressão 4D
A idéia do objeto inteligente pré-programado (criado usando materiais inteligentes) parece ter várias aplicações em várias indústrias. No entanto, sendo uma tecnologia inovadora, a maioria das aplicações estão actualmente em fase de investigação & fase de desenvolvimento. Espera-se que as principais aplicações de uso final da tecnologia de impressão 4D surjam dos setores de saúde, automotivo, aeroespacial e de consumo. No entanto, espera-se que o potencial da impressão 4D também tenha impacto em outras indústrias, tais como eletrônica, construção, industrial, etc., num futuro próximo.
Algumas das pesquisas atuais no campo da impressão 4D estão representadas no Anexo 5 abaixo.
O material auto-inflável desenvolvido pela BMW, em colaboração com o MIT (como mostrado na tabela acima) tem despertado o interesse de vários especialistas. O material, feito de silicone inflável quando acionado por pulsos de ar, poderia ser o futuro da pneumática. Além dos exemplos dados acima, existem várias outras pesquisas & actividades de desenvolvimento levadas a cabo pelos principais intervenientes da indústria gráfica 4D. Por exemplo, algumas das aplicações na indústria da saúde incluem ‘Targeted Drug Delivery’, ‘Fabrication of Stents’ para uma invasão cirúrgica mínima, Development of Shape Changing ‘Splints’, etc. O desenvolvimento de ‘Soft Robotics’ e ‘Hydraulic and Pneumatic Actuators’ são algumas das principais aplicações neste domínio industrial. A construção de estradas e pontes auto-regeneráveis podem ser aplicações potenciais na indústria da construção.
A seguinte Exposição 6 abaixo explica a possível linha do tempo de impacto da impressão 4D em várias aplicações nas indústrias.
Tecnologia Maturidade da Impressão 4D
A Exposição 7 abaixo mostra a fase atual dos desenvolvimentos tecnológicos na impressão 4D. Estando na fase de disparo da inovação, a tecnologia certamente criou muito hype; entretanto, levará mais de 10 anos para atingir o patamar de produtividade.
O ciclo de hype também aponta que vários avanços na impressão 3D ainda estão nas fases de disparo da inovação e expectativas inflacionadas do ciclo de vida. Isto implica que a impressão 3D tem um longo caminho a percorrer, e a impressão 4D sendo a sucessora da impressão 3D poderia ser lenta no seu progresso. Entretanto, não é obrigatório que os avanços na impressão 4D devam sempre seguir a impressão 3D. Além das capacidades de uma impressora 3D (sua capacidade de imprimir múltiplos materiais de forma congruente e imprimir em vários eixos), outras áreas de pesquisa com foco em materiais inteligentes e modelagem matemática não dependem abertamente da impressão 3D.
Conclusion – Opportunities and Challenges
Projetos de pesquisa e desenvolvimento específicos da impressão 4D estão em andamento em indústrias, tais como saúde, eletrônica, automotiva, aeroespacial e defesa, eletrodomésticos (moda e bens de consumo duráveis), têxtil, construção e máquinas industriais. Apesar de ser uma tecnologia inovadora, as oportunidades potenciais apresentadas pela impressão 4D são vastas e reconhecidas por vários especialistas na área.
O mercado da impressão 4D está começando a se estabelecer, devido às inúmeras atividades de pesquisa e desenvolvimento. A opinião sobre o crescimento do mercado é variada entre os especialistas. A visão otimista da tecnologia sugere que o mercado cresceria a um CAGR de aproximadamente 33% (um aumento estimado no tamanho do mercado de 35 milhões de dólares em 2019 para 200 milhões de dólares em 2025). Entretanto, sendo uma tecnologia nova em seus estágios iniciais, o FutureBridge prevê que o mercado de impressão 4D cresceria a uma taxa ligeiramente mais lenta de 20% até 2025 (ver Anexo 8).
Embora seja uma tecnologia promissora, a impressão 4D precisa superar vários obstáculos tecnológicos antes de ser amplamente adotada. Alguns dos maiores desafios na indústria gráfica incluem a falta de capacidade de fornecer estruturas de suporte para objetos complexos, a falta de impressoras multimateriais, a falta de impressoras de baixo custo e materiais inteligentes, tempos de impressão lentos, e a confiabilidade limitada dos objetos impressos a longo prazo. Embora existam certos avanços na tecnologia de impressão, tais como equipamentos de impressão de 5 eixos, que se espera que eliminem o problema de construir estruturas de suporte para estruturas internas complicadas, outros desafios ainda permanecem.
Outros desafios, tais como a atuação lenta e imprecisa, a falta de controle sobre estados intermediários de deformação e a disponibilidade limitada de material são outras razões para a adoção tardia da tecnologia de impressão 4D. Entretanto, considerando o interesse demonstrado pelos fabricantes e o nível de alta intensidade das atividades de pesquisa e desenvolvimento com relação à impressão 4D, a tecnologia poderia dar um salto exponencial a um ritmo mais rápido do que o previsto. Finalmente, os fabricantes que querem estar na vanguarda das mudanças e avanços tecnológicos devem estar a par dos avanços tecnológicos e potenciais implicações da impressão 4D.