Engenheiros desenvolvem “tinta” de fibra multimaterial impressa em 3D com circuitos incorporados

Filamentos com circuitos incorporados podem ser usados ​​para imprimir formas complexas para dispositivos biomédicos e robóticos.

Um novo método desenvolvido por MIT os pesquisadores usam impressoras 3-D padrão para produzir dispositivos funcionais com os componentes eletrônicos já incorporados. Os dispositivos são feitos de fibras contendo múltiplos materiais interligados, que podem iluminar, sentir o ambiente, armazenar energia ou realizar outras ações.

O novo método de impressão 3-D é descrito na revista Comunicação da Naturezaem um artigo do estudante de doutorado do MIT Gabriel Loke, dos professores John Joannopoulos e Yoel Fink, e quatro outros do MIT e de outros lugares.

O sistema utiliza impressoras 3D convencionais equipadas com um bocal especial e um novo tipo de filamento para substituir o habitual filamento de polímero de material único, que normalmente é totalmente derretido antes de ser extrudado do bocal da impressora. O novo filamento dos pesquisadores possui uma estrutura interna complexa composta por diferentes materiais dispostos em uma configuração precisa e é circundada por um revestimento de polímero na parte externa.

Na nova impressora, o bocal opera a uma temperatura mais baixa e puxa o filamento mais rapidamente do que as impressoras convencionais, de modo que apenas a sua camada externa fica parcialmente derretida. O interior permanece fresco e sólido, com as funções eletrônicas incorporadas inalteradas. Desta forma, a superfície é derretida apenas o suficiente para aderir solidamente aos filamentos adjacentes durante o processo de impressão, para produzir uma estrutura 3-D robusta.

Os componentes internos do filamento incluem fios metálicos que servem como condutores, semicondutores que podem ser usados ​​para controlar funções ativas e isoladores de polímero para evitar que os fios entrem em contato uns com os outros. Como demonstração, a equipe imprimiu uma asa para um modelo de avião, usando filamentos que continham componentes eletrônicos de emissão e detecção de luz. Esses componentes podem potencialmente revelar a formação de quaisquer fissuras microscópicas que possam se desenvolver.

Embora os filamentos usados ​​no modelo da asa contivessem oito materiais diferentes, Loke diz que, em princípio, eles poderiam conter ainda mais. Até este trabalho, diz ele, “ainda não existia uma impressora capaz de depositar metais, semicondutores e polímeros em uma única plataforma, porque imprimir cada um desses materiais requer hardware e técnicas diferentes”.

Crédito: Felice Frankel

Este método é até três vezes mais rápido do que qualquer outra abordagem atual para a fabricação de dispositivos 3D, diz Loke, e como acontece com todas as impressoras 3D, oferece muito mais flexibilidade em relação aos tipos de formulários que podem ser produzidos do que os métodos típicos de fabricação. . “Exclusiva da impressão 3D, esta abordagem é capaz de construir dispositivos de qualquer formato livre, o que não era possível por nenhum outro método até o momento”, diz ele.

O método utiliza fibras estiradas termicamente que contêm uma variedade de materiais diferentes embutidos nelas, um processo que Fink e seus colaboradores vêm aperfeiçoando há duas décadas. Eles criaram uma série de fibras que possuem componentes eletrônicos, tornando as fibras capazes de realizar uma variedade de funções. Por exemplo, para aplicações de comunicação, luzes intermitentes podem transmitir dados que são então captados por outras fibras contendo sensores de luz. Esta abordagem produziu pela primeira vez fibras e tecidos tecidos a partir delas que possuem essas funções incorporadas.

Agora, esse novo processo disponibiliza toda essa família de fibras como matéria-prima para a produção de dispositivos funcionais em 3D que podem detectar, comunicar ou armazenar energia, entre outras ações.

Para fabricar as próprias fibras, os diferentes materiais são inicialmente montados em uma versão em maior escala chamada pré-forma, que é então aquecida e estirada em um forno para produzir uma fibra muito estreita que contém todos esses materiais, exatamente nas mesmas posições relativas, mas muito reduzido em tamanho.

O método poderia ser potencialmente desenvolvido para produzir uma variedade de diferentes tipos de dispositivos, especialmente para aplicações onde a capacidade de personalizar com precisão cada dispositivo é essencial. Uma dessas áreas é a dos dispositivos biomédicos, onde combinar o dispositivo com o corpo do próprio paciente pode ser importante, diz Fink, que é professor de ciência dos materiais, bem como de engenharia elétrica e ciência da computação e CEO da organização sem fins lucrativos Advanced Functional Fabrics of América.

Por exemplo, membros protéticos poderão algum dia ser impressos usando este método, não apenas correspondendo às dimensões e contornos precisos do membro do paciente, mas com todos os componentes eletrônicos para monitorar e controlar o membro incorporados no lugar.

Ao longo dos anos, o grupo desenvolveu uma ampla gama de fibras contendo diferentes materiais e funcionalidades. Loke diz que praticamente tudo isso pode ser adaptado para a nova técnica de impressão 3D, tornando possível imprimir objetos com uma ampla variedade de combinações diferentes de materiais e funções. O dispositivo utiliza um tipo padrão de impressora 3-D conhecida como impressora de modelagem por deposição fundida (FDM), que já é encontrada em muitos laboratórios, escritórios e até residências.

Uma aplicação que poderá ser possível no futuro seria a impressão de materiais para implantes biomédicos que forneceriam uma estrutura para o crescimento de novas células para substituir um órgão danificado e incluiriam sensores para monitorar o progresso desse crescimento.

O novo método também poderia ser útil para prototipagem de dispositivos – já uma aplicação importante para impressão 3D, mas neste caso, os protótipos teriam funcionalidade real, em vez de serem modelos estáticos.

A equipe de pesquisa incluiu o estudante de graduação do MIT, Rodger Yuan; o ex-aluno de pós-graduação do MIT Michael Rein, que agora trabalha na AFFOA; o pós-doutorado Tural Khudiyev e o estudante de graduação Yash Jain na Stony Brook University em Nova York. O trabalho foi parcialmente apoiado pela National Science Foundation, pelo Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA através do Instituto de Nanotecnologias de Soldados.

Referência: “Filamentos multimateriais estruturados para impressão 3D de optoeletrônica” por Gabriel Loke, Rodger Yuan, Michael Rein, Tural Khudiyev, Yash Jain, John Joannopoulos e Yoel Fink, 5 de setembro de 2019, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-019-11986-0