A impressão 4D (também conhecida como bioimpressão 4D, origami ativo ou sistemas de mudança de forma) é baseado na mesma tecnologia da impressão 3D (manufatura aditiva), que transforma projeto digital em objeto físico através da construção camada por camada, mas a 4D usa matéria prima especial e projetos sofisticados para imprimir um objeto "inteligente" e responsivo que consegue mudar a forma (como asa de avião que se altera durante pouso e decolagem) e a rigidez (de duro como madeira a macio como esponja) através das alterações do ambiente em que está, como a mudança na temperatura ou na luminosidade. Impressão 4-dimensional utiliza as mesmas técnicas de Impressão 3D através da deposição de material programada por computador em camadas sucessivas para criar um objeto tridimensional. No entanto, na impressão 4D, a forma 3D resultante é capaz de se transformar em diferentes formas em resposta a estímulos ambientais, sendo a 4ª dimensão a mudança de forma dependente do tempo após a impressão. É, portanto, um tipo de matéria programável, na qual, após o processo de fabrico, o produto impresso reage com parâmetros do ambiente (humidade, temperatura, voltagem, etc.) e altera a sua forma de acordo.

O professor Howon Lee e equipe da da Universidade Rutgers demonstraram o potencial da impressão 4D usando o metamaterial (material sintético projetado para ter propriedades não encontradas naturamente). Demonstraram como ajustar um metamaterial impresso em 4D usando gatilhos simples, como por exemplo o calor, onde a rigidez do material pode ser ajustada mais de 100 vezes variando a temperatura: de temperatura ambiente (22º C) ào calor moderado (90º C). O material reformulado possui uma variedade de uso: como a absorção de choques, que em seguida retorna ao seu formato com as propriedades originais.

Material quase vivo O pesquisador Chunli Yang e equipe no Instituto de Tecnologia de Harbin (na província de Heilongjiang) produziu um metamaterial composto por polímero com memória de forma, dando a capacidade do metamaterial impresso em 4D se reprogramar para diferentes tarefas sem a necessidade de ferramentas (um material quase vivo). Este metamaterial póde mudar a: forma, rigidez e, função,; semelhante ao canivete suíço que consegue resolver múltiplos problemas.

Os polímeros com memória de forma, voltam à sua forma original, mas podem incorporar outros materiais para assumir diversis formatos com diferentes estímulos. Os protótipos sintetizados na China estimulados (por luz, calor, eletricidade ou, campo magnético) podem torcer, enrijecer, ou amolecer. Além de ter múltiplas formas simultaneamente e alternar entre elas quando necessário (um material quase vivo).

Técnicas de impressão A Estereolitografia é uma técnica de impressão 3D que utiliza a fotopolimerização para unir o substrato que foi depositado camada sobre camada, criando uma rede polimérica. Ao contrário da modelagem por fusão e deposição (FDM), onde o material extrudado endurece imediatamente para formar camadas, a impressão 4D é fundamentalmente baseada na estereolitografia, onde na maioria dos casos a luz ultravioleta é usada para curar os materiais estratificados após a conclusão do processo de impressão. A Anisotropia é vital na engenharia da direção e magnitude das transformações sob uma dada condição, organizando os micromateriais de forma a que haja uma direcionalidade incorporada na impressão final.

Arquitetura de fibras

A maioria dos sistemas de impressão 4D utiliza uma rede de fibras que variam em tamanho e propriedades de material. O design em microescala é alcançado através de simulações complexas de moléculas/fibras que aproximam as propriedades agregadas de todos os materiais usados na amostra. O tamanho, a forma, o módulo e o padrão de ligação destes blocos de construção de material têm uma relação direta com a forma de deformação sob ativação por estímulo.

Polímeros hidrorreativos / hidrogéis Skylar Tibbits, diretor do Self-Assembly Lab no MIT, trabalhou com o Stratasys Materials Group para produzir um polímero compósito constituído por elementos altamente hidrofílicos e elementos não ativos e altamente rígidos. As propriedades únicas destes dois elementos distintos permitiram um inchaço de até 150% de certas partes da cadeia impressa em água, enquanto os elementos rígidos estabeleceram restrições de estrutura e ângulo para a cadeia transformada.

Atuação higromnêmica versus higromórfica A atuação higromnêmica é uma técnica de atuação acionada pela humidade, inspirada no comportamento de memória de forma de polímeros responsivos à humidade.

Atuadores higromórficos respondem a mudanças de humidade através da expansão diferencial de camadas. Comparada à atuação higromórfica, a atuação higromnêmica oferece um espaço de design aumentado para transformações de materiais programáveis, permitindo caminhos de movimento mais complexos e versáteis.

Compósitos de celulose A. Sydney Gladman et al. procuraram mimetizar o comportamento nástico das plantas. A equipa desenvolveu uma arquitetura de hidrogel compósito com comportamento de inchaço anisotrópico local que imita a estrutura de uma parede celular típica. O ajuste dos modelos que descrevem a curvatura média e a Curvatura gaussiana são, respetivamente:

e

Ao compreender isto, a equipa pôde controlar cuidadosamente os efeitos da anisotropia para criar helicoides e perfis ondulados. Gladman et al. descobriram que, conforme se aproxima de 0°, a curvatura aproxima-se da equação clássica de Timoshenko. Conforme se aproxima de 90°, a curvatura transforma-se numa sela.

Polímeros / hidrogéis termorreativos O Poli(N-isopropilacrilamida), ou pNIPAM, é um material termorresponsivo comum. Temperaturas acima do seu ponto crítico (32°C) desidratam o hidrogel, causando encolhimento. Uma válvula inteligente impressa com este material foi concebida para fechar ao tocar em água quente e abrir com água fria, reduzindo a taxa de fluxo de água quente em 99%.

Polímeros digitais com memória de forma

Os Polímeros com memória de forma (SMPs) recuperam a sua forma original a partir de uma deformação sob certas condições (como a temperatura). Qi Ge et al. projetaram SMPs digitais com deformações de falha extremamente elevadas, permitindo a criação de garras multimateriais que operam conforme a temperatura.

Relaxação de tensão A Relaxação de tensão na impressão 4D é um processo onde uma montagem de material é criada sob tensão "armazenada", que pode ser libertada posteriormente para causar mudança de forma.

Aplicações atuais

Avanços em Aplicações Biomédicas A equipa da Dra. Lijie Grace Zhang desenvolveu uma nova resina líquida fotocurável feita de óleo de soja epoxidado, que é biocompatível. Scaffolds impressos com este material serviram como base para o crescimento de células-tronco mesenquimais humanas.

Leonid Ionov desenvolveu uma abordagem para imprimir hidrogéis biofabricados com células vivas, permitindo o fabrico de tubos ocos que se dobram sozinhos com diâmetros internos de até 20 μm, comparáveis aos menores vasos sanguíneos.

Comércio e transporte Skylar Tibbits detalha aplicações futuras de materiais impressos em 4D como produtos programáveis que podem ser adaptados a ambientes específicos e responder a fatores como a temperatura, humidade, pressão e som do corpo ou ambiente de alguém. Tibbits também menciona a vantagem da impressão 4D para aplicações de transporte — permitirá que os produtos sejam embalados de forma plana para, posteriormente, terem a sua forma projetada ativada no local por um estímulo simples. Existe também a possibilidade de contêineres de transporte impressos em 4D que reagem às forças em trânsito para distribuir cargas uniformemente. Alguns materiais impressos em 4D podem ser capazes de se reparar após uma falha ou de se autodesmontar para facilitar a reciclagem.

Ver também Atuador Manufatura aditiva Ciência dos materiais Robótica suave Bioimpressão 3D Corte e gravação a laser Escaneamento 3D Máquina autorreplicadora Modelagem 3D Organ-on-a-chip

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