Conheça a tecnologia que faz Impressão 3D em segundos

Criada em 2019, a Litografia Axial Computadorizada (CAL) imprime como mágica

“Qualquer tecnologia suficientemente avançada é indistinguível da mágica”, escreveu Arthur C. Clarke. E com a Litografia Axial Computadorizada (CAL, da sigla em inglês Computed Axial Lithography), finalmente criamos a mágica.

CAL é um processo de impressão 3D sem camadas inventado na Universidade da Califórnia, Berkeley, em 2019. Não há crescimento, nem acúmulo — as peças são feitas inteiramente de uma vez. A pergunta comum, depois de alguns momentos tentando compreender o que foi dito, é: como?

Como funciona

O primeiro é o material de impressão, normalmente uma resina curada por luz UV cuja química é semelhante àquelas usadas na impressão de estereolitografia (SLA). O material mais simples é composto por um monômero e um fotoiniciador. Um monômero é uma molécula que pode reagir para desenvolver longas cadeias de moléculas e se entrelaçar consigo mesma, criando um polímero. A reação é iniciada pelo fotoiniciador, uma molécula especial que reagirá a um certo comprimento de onda de luz. Os materiais podem ficar muito mais complexos do que isso, tendo vários monômeros, ou mais moléculas que reagem à luz de forma diferente, ou mesmo pequenas partículas de sílica/vidro. CAL já foi demonstrado com mais de 60 materiais diferentes.

A seguir, está a configuração mecânica da impressora. A ilustração acima mostra quase exatamente como a patente se parece. O material de impressão é colocado em um recipiente de vidro cilíndrico transparente (D) . Há um elemento de rotação (C) que gira o recipiente e um projetor (A) que brilha as imagens (B) que criarão a peça. Todo o resto é extra e é usado apenas para melhorar o processo de impressão. Isso pode incluir lentes que controlarão melhor a qualidade dos raios de luz ou uma caixa de correspondência de índice que impedirá que a luz refrate ao atingir a borda do frasco de vidro arredondado.

A mágica do CAL está quase toda nas imagens que o projetor mostra, que têm suas raízes na tomografia computadorizada , também conhecida como tomografia computadorizada. Em uma tomografia computadorizada médica, um leque 2D de raios X é direcionado através de uma fatia do corpo de um paciente. Então a fonte de raios X é girada em um pequeno grau, e o processo é repetido. Após várias rotações e matemática complexa, uma fatia limpa dessa pessoa pode ser reconstruída — computada determinando como os raios X absorveram energia através do paciente e então usando algumas técnicas de filtragem. Agora a fonte de raios X giratória é movida para cima e para baixo na pessoa, para obter várias fatias. Uma vez que o comprimento da pessoa é totalmente escaneado, as fatias podem ser colocadas juntas para fazer um modelo 3D completo do paciente, interior e tudo.

CAL é essencialmente uma tomografia computadorizada ao contrário. Ela começa com um modelo 3D e calcula as fatias, de vários ângulos, que seriam necessárias para formar esse modelo 3D. Esse processo começa com a quebra do modelo em voxels , pequenos cubos que são essencialmente pixels 3D. Então, como uma tomografia computadorizada, uma fatia é retirada do modelo. Começando em 0 graus, uma linha unidimensional de pixels de intensidade variável é calculada, com base principalmente em quão denso o objeto é visto desse ângulo. Isso é repetido após a rotação em pequenos incrementos, por 180 graus. (Não 360° — a linha de pixels seria calculada de forma idêntica quando vista de 180°, então não há necessidade de calcular duas vezes.) A combinação dessas linhas 1D de pixels de vários ângulos é chamada de sinograma . Então, como em uma tomografia computadorizada, isso é feito para várias fatias do modelo até que sinogramas sejam criados para todas as fatias.

Agora a primeira versão da imagem projetada pode ser feita. Ao pegar todas as linhas 1D de pixels de um certo ângulo (como 30°) e empilhá-las umas sobre as outras, uma imagem 2D é criada que considera o espaço 3D. No entanto, a primeira versão desta imagem ficará borrada e distorcida de maneiras erradas. Por meio de filtragem, métodos de otimização e outros truques matemáticos, uma imagem 2D de alta qualidade é criada. Esta imagem pode então ser projetada em nosso frasco, para começar a formar nossa parte.

Mas para formar a geometria desejada, muitos ângulos dessas projeções 2D são necessários, que são combinados em um vídeo de projeção 3D (acima). Um vídeo típico criado para projeção terá 180 quadros/ângulos exclusivos. Este é apenas o começo de como esses vídeos são criados. O CAL também calcula muita física envolvida no processo de impressão — como a luz refrata ao atingir a superfície, como as moléculas se movem no material de impressão quando as peças se formam, etc. — e o vídeo pode ser modificado e distorcido para levar em conta esses efeitos. Existem poucos efeitos físicos que não podem ser corrigidos.

Imprime em segundos

As três partes principais do CAL agora estão completas: o material, a configuração mecânica e os vídeos especiais de projeção. Agora começa a impressão. Primeiro, o frasco começará a girar em torno de seu eixo central, então o vídeo de projeção é iluminado através do frasco, com o foco tradicionalmente no centro do frasco. No entanto, como a luz está passando por todo o volume do frasco em cada ângulo, todos os lugares dentro da peça estão começando a ser formados. O material precisa de uma certa dosagem de luz antes de começar a se tornar sólido. Conforme o frasco é girado, apenas os pontos onde luz combinada suficiente passou se tornarão sólidos. Isso realmente faz com que a peça se forme de uma vez, às vezes em apenas 10 segundos. As
peças CAL precisam passar por pós-processamento. A peça é removida do frasco com pinças, lavada em um solvente para remover o excesso de resina e, em seguida, exposta a mais luz sob uma forte lâmpada LED UV para atingir suas propriedades mecânicas completas.

Devido à forma única como as peças são formadas, o CAL pode fazer várias coisas únicas, como sobreimpressão . Sobremoldagem é quando uma peça existente, como uma ponta de chave de fenda, tem plástico moldado ao redor dela, criando um cabo de chave de fenda. O CAL pode fazer a mesma coisa com impressão, formando geometria 3D sobre peças existentes. Os exemplos acima foram impressos em apenas 20 segundos (em vez de 1 minuto), sacrificando qualidade pela velocidade.

CAL também não precisa de estruturas de suporte para criar peças. À medida que a peça se forma, ela é sustentada pelo próprio material de impressão; é por isso que CAL normalmente usa materiais muito mais viscosos do que SLA. Um material CAL comum tem viscosidade semelhante à do melaço, ou até mais alta.

CAL em gravidade zero

Materiais de alta viscosidade tendem a ter propriedades de impressão mais fortes e desejáveis. No entanto, se houver necessidade de material de menor viscosidade, várias técnicas diferentes podem ser usadas, a mais emocionante das quais é simplesmente remover a gravidade, usando CAL no espaço! CAL já foi demonstrado em microgravidade (o termo mais científico para “gravidade zero”), em voos de avião parabólico (acima), onde imprimiu mais de 400 peças. Enquanto os ambientes de microgravidade duram apenas 20 segundos no plano parabólico, CAL é capaz de formar peças completamente. O próximo passo para a versão espacial de CAL é ser testado no espaço suborbital e, eventualmente, em uma estação espacial!

O que vem a seguir

Desde a invenção da tecnologia em 2019 por Brett Kelley e outros sob a supervisão do Dr. Hayden Taylor, muita coisa aconteceu. Não só a tecnologia foi testada em microgravidade, mas peças de vidro puro com tamanhos de recursos 5x menores do que a largura de um fio de cabelo humano foram feitas! Muito mais está em andamento também, desde impressão de lentes ópticas, até impressão em um frasco de meio metro de diâmetro, até materiais recicláveis.

O CAL cresceu além da UC Berkeley também, com mais de uma dúzia de instituições pesquisando e expandindo a tecnologia. E é um projeto de código aberto, então você pode tentar você mesmo . O futuro do CAL parece ilimitado.

Este artigo foi inicialmente publicado por Make: Volume 88.