Planeamento de experiências em impressão 4D: uma abordagem iterativa

Contextualização

Popularmente conhecidos pelo termo Impressão 3D, os processos de fabricação baseados na adição de material por camadas têm registado crescentes aplicações ao longo dos anos, partindo de usos originalmente limitados a protótipos e atualmente possibilitando a obtenção de peças finais funcionais [1]. Como um dos desdobramentos desta evolução, surgiu o campo do design orientado para o fabrico aditivo (Design for Additive Manufacturing – DfAM), caraterizado por um conjunto de ferramentas, técnicas e diretrizes voltadas para a exploração das relações entre projeto e fabricação, considerando restrições específicas do processo [2]. Neste contexto, diversas rotas de investigação têm-se destacado e beneficiado dos princípios de DfAM [3], incluindo:

1. a utilização de mecanismos flexíveis (compliant mechanisms) como uma maneira de imprimir conjuntos de peças de forma direta, mantendo as folgas e interferências adequadas nas superfícies em contacto [4];
2. a adoção de algoritmos de otimização topológica e/ou aprendizagem de máquina para aprimorar a distribuição de material, sobretudo em geometrias complexas [5], [6];
3. o desenvolvimento de metamateriais, tais como estruturas formadas por padrões de células unitárias (lattice structures) [7]; 
4. a obtenção de peças com gradientes de funcionalidade, seja pela densificação variável numa composição homogénea, seja pela combinação de materiais diferentes [8].

Englobando diversos conceitos provenientes de DfAM, a impressão 4D tem recebido notoriedade no decorrer da última década [9]. Esta área de investigação é baseada na obtenção de peças fabricadas por fabrico aditivo e capazes de alterações controladas, sobretudo de formato, quando submetidas aos estímulos externos apropriados, tais como temperatura, luminosidade, humidade ou campo eletromagnético [10]. A estratégia mais comumente adotada para atingir este dinamismo consiste na exploração de materiais com memória de forma, que podem ser impressos num formato permanente, programados para uma configuração temporária por intermédio de um ciclo termomecânico de aquecimento, carregamento, arrefecimento e descarregamento e, por fim, estimulados para recuperação parcial da forma original [11]. Conforme representado na Figura 1, esta abordagem tem sido explorada para desenvolver soluções nos mais diversos campos como robótica [12], engenharia de estruturas [13], engenharia tecidual [14, 15], farmacologia [16] e produtos para cuidados básicos em saúde [17]. Portanto, investigações robustas em impressão 4D requerem o estabelecimento de interações e correlações entre conhecimentos aprofundados de ciência dos materiais, caracterizações mecânicas, projeto sistemático e princípios de funcionamento do mecanismo de fabricação.

No contexto de processos aditivos baseados na deposição e solidificação de materiais fundidos, são induzidas tensões residuais nas estruturas impressas decorrentes do complexo historial térmico e distribuições irregulares de temperatura [18]. Quando o objeto é aquecido a temperaturas acima da transição vítrea, ocorre a libertação destas tensões, o que se manifesta macroscopicamente como uma deformação residual na geometria [19]. Portanto, um processo preliminar de programação de formato está intrinsecamente associado ao fabrico aditivo por extrusão de filamento [20], de forma que a estratégia de deposição influencia diretamente não apenas as propriedades mecânicas e a qualidade superficial do produto, mas também a resposta a estímulo das peças em impressão 4D.

Compreender os mecanismos pelos quais a resposta a estímulo é determinada por múltiplos fatores (como matéria-prima [21], arquitetura do equipamento [22], configuração dos componentes periféricos [23] e parâmetros de impressão [24]) é fundamental para projetar itens inteligentes funcionais seguindo práticas de DfAM. Abordagens de planeamento de experiências (Design Of Experiments – DOE) são de extrema importância neste cenário, uma vez que fornecem estratégias estruturadas e sistemáticas, baseadas em métodos estatísticos, para delimitar experiências, gerar análises confiáveis e traçar relações de causa e efeito entre variáveis de entrada e de saída [25]. Embora sejam encontrados diversos estudos na literatura seguindo rotas de DOE para Impressão 4D [23-24], [26-28], não há um consenso entre as conclusões traçadas nas publicações, de forma que as relações processo-propriedade obtidas não são universais. Mesmo para cenários que utilizem o mesmo material, alterações em fatores como a geometria do provete e a estratégia de programação/recuperação podem fazer com que os parâmetros ótimos obtidos sejam dispares [24], [27], o que destaca a relevância de efetuar investigações individualizadas para a situação de interesse.

Este trabalho utiliza pela primeira vez uma estratégia iterativa de DOE visando otimizar a resposta a um estímulo de uma nova mistura para fabrico aditivo baseada em filamento. Cada iteração é direcionada para procura e refinamento de um modelo representativo das relações entre parâmetros de impressão e a percentagem de recuperação da forma original mediante estímulo térmico.

Considerações sobre o desenho experimental

Materiais utilizados

Os procedimentos aqui descritos fazem parte de uma pesquisa mais abrangente direcionada para a análise da viabilidade técnica de formulações PLA/EVA para Impressão 4D, objetivando a aplicação futura na fabricação de dispositivos de ajuda para indivíduos com restrições de movimentos nos dedos das mãos. Embora o ácido polilático (PLA) seja um dos polímeros mais amplamente utilizados em fabrico aditivo [29], a sua exploração quanto ao efeito de memória de forma tem se mostrado restrita a pequenas deformações [30], o que ressalta a importância de combiná-lo com outros materiais, sobretudo para incrementos em tenacidade. Neste contexto, o copolímero de polietileno – acetato de vinilo (EVA) é um material com propriedades promissoras em termos de flexibilidade e resistência ao impacto [31], e cujas utilizações preliminares em Impressão 4D têm sido bem-sucedidas [32-34], fatores que o tornam um potencial candidato para o desenvolvimento da aplicação desejada.

As etapas iniciais de formulação das combinações, preparação dos filamentos, calibração da impressão e caraterização dos materiais já foram publicadas pelo grupo de investigação [35]. A mistura com maior resistência mecânica e melhor comportamento responsivo foi selecionada para dar continuidade à investigação, sendo caraterizada por uma proporção mássica de 70/30 entre o PLA (Ingeo 4032D, NatureWorks) e o EVA (Levamelt 900, Arlanxeo), este último composto por 90% em massa de acetato de vinilo. Todas as etapas descritas neste artigo são referentes a filamentos desta mistura.

Alina de Souza Leão Rodrigues¹*, Jorge Lino Alves², Zilda de Castro Silveira^1
1Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Brasil
²INEGI, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal
*alinarodrigues@usp.br

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