O Próximo Salto na Impressão 3D é o Crescimento de Metais Fortes

Cientistas da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) criaram um novo método de impressão 3D que pode transformar hidrogéis simples em metais e cerâmicas de alto desempenho.

Eles basicamente cultivaram metais permitindo múltiplas infusões de sais metálicos que formam estruturas extremamente fortes e densas sem a porosidade dos métodos anteriores. Os resultados mostram que os metais criados usando a nova técnica são 20 vezes mais fortes e têm muito menos encolhimento. 

Essa descoberta promete uma produção eficiente de dispositivos de energia, sensores e dispositivos biomédicos de próxima geração.

Por que Materiais Arquitetados Precisam de uma Melhor Impressão 3D de Metais

Como base da fabricação, construção, engenharia e tecnologia, os materiais influenciam diretamente a funcionalidade, durabilidade e segurança de tudo, desde edifícios até eletrônicos, transporte e saúde. 

Isso torna importante criar novos materiais ou melhorar os existentes para atender a necessidades específicas, resolver problemas e impulsionar o progresso em várias indústrias.

Uma abordagem inovadora e crucial para alcançar isso é através do design de materiais arquitetados, um processo que melhora as propriedades dos materiais em comparação com seus equivalentes simples, projetando sua estrutura interna em múltiplas escalas.

Essa classe emergente de materiais utiliza geometria estrutural 3D para acessar funcionalidades e propriedades que de outra forma seriam inacessíveis apenas através da otimização da composição e/ou microestrutura. 

À medida que nossa compreensão das relações entre arquitetura e propriedades e ferramentas de fabricação avançou, também o fez o desenvolvimento desses materiais nano e micro-arquitetados 3D com novas ou melhoradas propriedades, variando desde comportamentos mecânicos extremos até propriedades ópticas exóticas que simplesmente não podem ser alcançadas com materiais processados tradicionalmente. Ao fazer isso, os materiais arquitetados ajudam a atender à crescente demanda por dispositivos de alto desempenho e permitem tecnologias complexas.

Esses materiais são atualmente fabricados usando tecnologias de manufatura aditiva (AM) devido à sua capacidade de produzir estruturas 3D complexas em uma ampla gama de escalas de comprimento. Entre diferentes processos de AM, a fotopolimerização em cuba (VP) é amplamente utilizada porque permite tamanhos pequenos e velocidades rápidas.

Nesse método de impressão 3D, um resina sensível à luz é depositada em uma cuba, e então, usando um laser ou luz UV, é endurecida seletivamente na forma necessária.

Esse processo, no entanto, é usado apenas com polímeros sensíveis à luz e enfrenta desafios na fabricação de materiais não poliméricos com ele. Com polímeros tendo propriedades estruturais e funcionais limitadas, isso restringe os casos de uso de dispositivos fabricados com VP.

Como resultado, os cientistas desenvolveram métodos para permitir a VP de materiais não fotopolimerizáveis, como metais e cerâmicas. Isso inclui o uso de fotressina híbrida (combinando componentes inorgânicos e orgânicos) ou lama fotossensível, mas eles têm desafios com espalhamento de luz, viscosidades e composições de material limitadas.

Como resultado, o uso de soluções de sais metálicos surgiu como uma abordagem promissora, que é versátil e comercialmente disponível. Mas isso vem com uma grande quantidade de encolhimento, causando porosidade, deformação e danos estruturais.

Para resolver esses desafios, os pesquisadores da EPFL desenvolveram um novo método versátil para fabricar metais e cerâmicas arquitetados densos com baixos encolhimentos lineares. 

O que eles fizeram foi cultivar metais em um hidrogel, o que resulta em construções densas, mas complicadas, para tecnologia avançada.

Hidrogéis são materiais poliméricos que são principalmente feitos de água. Quando hidratados, eles se tornam semelhantes a gel. Por serem biocompatíveis, eles são utilizados em uma ampla gama de aplicações médicas e outras. Esses materiais, no entanto, sofrem com estresse mecânico repetido e podem facilmente se deformar. 

“O problema com os hidrogéis existentes é que eles podem ser mecanicamente fracos e, portanto, precisam ser reforçados,” disse o Professor Associado Koichi Mayumi do Instituto de Física do Estado Sólido (ISSP) da Universidade de Tóquio, que criou¹ um hidrogel que exibe resistência e recuperação semelhantes à borracha, mantendo a flexibilidade.

Um estudo recente², por sua vez, usou hidrogéis para demonstrar a capacidade de materiais não vivos de usar ‘memória’ para atualizar sua compreensão do ambiente. Eles mostraram que “a memória é emergente nos hidrogéis” fazendo com que hidrogéis não vivos (que podem responder a estímulo elétrico) joguem o jogo Pong e melhorem sua precisão em até 10%, através da prática.

Agora, os pesquisadores da EPFL transformaram esses hidrogéis macios em metais e cerâmicas excepcionalmente fortes usando um novo e poderoso método de impressão 3D.

Um Novo Caminho para a Impressão 3D de Metais Fortes

Com outros métodos de impressão 3D criados para converter polímeros impressos em materiais mais resistentes sofrendo com sérios problemas estruturais, “esses materiais tendem a ser porosos, o que reduz significativamente sua resistência, e as peças sofrem com encolhimento excessivo, o que causa deformação,” os pesquisadores criaram uma solução única para o problema.

Os pesquisadores da EPFL pioneiraram um método de impressão 3D chamado de manufatura aditiva de infusão de hidrogel (HIAM).

No estudo mais recente, publicado em Advanced Materials³, os pesquisadores observaram que, apesar de seus benefícios em termos de versatilidade e acessibilidade, a utilidade do novo método é limitada pelas encolhimentos de 50-90% que ocorrem durante o processo de conversão de polímero para cerâmica, o que causa muita porosidade, rachaduras e deformação nas peças finais, que frequentemente as tornam muito frágeis para uso prático. Portanto, eles também utilizam uma estratégia de infusão-precipitação pós-fabricação.

Em vez de usar luz para solidificar uma resina pré-infundida com precursores metálicos, a equipe da EPFL primeiro construiu uma estrutura 3D a partir de um hidrogel.

Então, o ‘branco’ hidrogel é infundido com diferentes soluções de sais metálicos antes de ser tratado termicamente para converter em nanopartículas contendo metais que permeiam a estrutura. Repetindo o processo, compostos com concentrações de metal muito altas podem ser criados.

Após cinco a dez ‘ciclos de crescimento’, a etapa final envolve aquecimento que queima o hidrogel restante. Isso deixa para trás o produto final, ou seja, um objeto de cerâmica ou metal na forma do polímero branco original que é muito forte e denso. 

Infundir sais metálicos em hidrogéis apenas após a fabricação significa que apenas um hidrogel pode ser modificado em muitos compostos, metais ou cerâmicas diferentes. 

Não apenas uma única composição de resina pode ser usada para fabricar uma quase infinita variedade de materiais não poliméricos, mas este estudo também destaca um novo paradigma de AM onde a seleção de material não ocorre antes, mas sim após a impressão 3D.

Portanto, a nova técnica “permite a fabricação de metais e cerâmicas de alta qualidade com um processo de impressão 3D acessível e de baixo custo,” disse Daryl Yee, chefe do Laboratório de Química de Materiais e Manufatura (ALCHEMY) na Escola de Engenharia da EPFL. 

O foco do ALCHEMY está em integrar ciência de materiais, design molecular e manufatura avançada para criar materiais funcionais avançados que possam enfrentar desafios sociais em saúde, energia e mudanças climáticas.  

Usando seu método, a equipe da EPFL fabricou com sucesso uma variedade de estruturas 3D de metal e cerâmica intricadas. Eles criaram formas de lattice matemáticas complexas chamadas giroides a partir de cobre, prata e ferro.

A fabricação de Fe₂O₃, SrFe₁₂O₁₉, Fe, Cu e Ag alcançou densidades próximas a 88-89% teóricas e encolhimentos de 20-40% (dependendo da composição), demonstrando a capacidade da técnica de criar estruturas fortes e intricadas. Uma máquina de teste universal também foi usada para testar a resistência dos materiais aplicando pressão crescente aos giroides.

“Nossos materiais poderiam suportar 20 vezes mais pressão em comparação com os produzidos por métodos anteriores, enquanto exibiam apenas 20% de encolhimento versus 60-90%.”

– Estudante de doutorado e primeiro autor Yiming Ji

De acordo com os cientistas, a técnica de infusão-precipitação desenvolvida tem o potencial de fabricar materiais arquitetados avançados e estruturas 3D que precisam ser complexas, leves e fortes ao mesmo tempo, como dispositivos biomédicos, sensores ou dispositivos para conversão e armazenamento de energia. 

Na próxima etapa, a equipe irá se concentrar em melhorar seu processo, especificamente em aumentar ainda mais a densidade de seus materiais para sua comercialização. 

Velocidade é outro objetivo. Embora as infusões repetidas sejam importantes para produzir materiais mais fortes, essas etapas tornam o método demorado. “Já estamos trabalhando para reduzir o tempo total de processamento usando um robô para automatizar essas etapas,” disse Yee.
Deslize para rolar →

Onde a Manufatura Aditiva Está Indo em Seguida?

A manufatura aditiva é uma das tecnologias mais disruptivas de nossa época, construindo objetos 3D camada por camada usando design digital e uma ampla gama de materiais, como metal, plástico, e concreto.

Essa tecnologia é conveniente, versátil e capaz de fabricar rapidamente estruturas geométricas intricadas. Ela também reduz o desperdício de material, permite uma alta personalização e melhora o desempenho de dispositivos flexíveis.

O tamanho do mercado global de AM é estimado em cerca de $25 bilhões em 2025 e é projetado para ultrapassar $125 bilhões até 2032. Enquanto isso, o número total de impressoras 3D enviadas globalmente foi 2,2 milhões em 2021 e é esperado que atinja 21,5 milhões de unidades até o final da década.

Esses números refletem uma adoção crescente da tecnologia, que não está restrita apenas a laboratórios. Ela está sendo cada vez mais usada para construir casas, sapatos, óculos de realidade virtual, materiais biodegradáveis auto-curativos⁴, e muito mais.

Recentemente, os pesquisadores da Empa relataram o desenvolvimento de um implante de córnea biocompatível impresso em 3D que pode reparar danos oculares permanentemente. 

Com milhões de pessoas em todo o mundo afetadas por danos na córnea, apenas uma pequena porcentagem pode ser tratada com um transplante de córnea. O desenvolvimento de implantes personalizados auto-adesivos feitos possível pela biimpressão em 3D pode mudar completamente o jogo.

O implante é feito de um hidrogel biocompatível, que mais tarde será carregado com células-tronco humanas do olho para apoiar a regeneração de tecidos.

Enquanto as aplicações de AM continuam a crescer, os cientistas também estão resolvendo alguns dos desafios técnicos mais persistentes da impressão 3D. Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) criaram uma técnica de extrusão assistida por vácuo⁵ que pode reduzir a porosidade interna de componentes de polímero em 75%, enfrentando o problema que impede a manufatura aditiva em grande escala (LFAM).

A porosidade interna enfraquece as peças impressas, e reduzir isso é importante para aumentar o desempenho geral.

O que os pesquisadores fizeram foi que durante o processo de extrusão, eles integraram um hopper de vácuo, que removeu gases presos e minimizado a formação de vazios em materiais reforçados com fibras que são comuns em LFAM por sua rigidez bem como baixa expansão térmica, mas têm porosidade intra-bead que afeta sua qualidade. 

“Usando essa técnica inovadora, não apenas estamos abordando a questão crítica da porosidade em impressões de polímero em grande escala, mas também estamos pavimentando o caminho para compostos mais fortes. Isso é um grande salto para a indústria de LFAM.”

– Vipin Kumar, da ORNL

Enquanto isso, os pesquisadores da Universidade de Colorado Boulder criaram um software, OpenVCAD, para ajudar a alcançar projetos mais complexos. O software de código aberto pode aplicar propriedades específicas a partes de estruturas de lattice, que são normalmente usadas para capacidades de absorção de impacto.

A primeira ferramenta de design multi-material baseada em código permite que os usuários alterem uma pequena variável e vejam todo o design ser atualizado de forma fácil. Ele converte projetos de gradiente complexos em código pronto para impressão para aplicações de engenharia modernas.

Além de melhorar a qualidade dos materiais, os inovadores também estão trabalhando para trazer o poder da fabricação para a palma da mão. Um artigo de pesquisadores da UT Austin e do MIT explorou o uso de fotônica de silício em uma impressora 3D baseada em chip⁶, onde um único dispositivo fotônico de milímetro de escala faz a maior parte da funcionalidade mecânica da impressora, substituindo a fonte de luz. A impressora resultante é muito mais simples e econômica.

As impressoras 3D atuais dependem de sistemas mecânicos grandes e complexos, limitando a velocidade, portabilidade, resolução, fator de forma e complexidade de material. Enquanto os pesquisadores estão explorando impressoras 3D baseadas em fotopolimerização, elas ainda dependem de sistemas mecânicos volumosos e complexos. 

Portanto, o estudo mais recente combinou fotônica de silício e fotoquímica para a primeira impressora 3D baseada em chip. Eles usaram um chip CMOS de fotônica de silício em uma câmara pequena, que emite a luz e a direciona, junto com uma guia de onda de cristal líquido para trabalhar com a resina. 

O sistema é um “sistema de matriz de fases ópticas integrada de luz visível” que age como um sistema de fotopolimerização em cuba em um chip, com a ideia final sendo fazer com que o sistema inteiro caiba na palma da mão.

Investindo em Impressão 3D

Famoso por impressão tradicional, HP (HPQ ) tem feito uma entrada agressiva no mercado de impressão 3D e tem escala, capital e infraestrutura para adotar processos de ponta como a infusão de hidrogel.

A empresa primeiro entrou na manufatura aditiva há mais de uma década, e desde então, lançou vários sistemas de impressão 3D de polímero e introduziu a tecnologia Metal Jet. Embora não seja o jogador mais antigo na indústria de impressão 3D, a HP tem trabalhado para se tornar a líder do mercado por meio da inovação em tecnologia, materiais e parcerias.

HP Inc. (HPQ )

No início do ano, a tecnologia de impressão 3D Multi Jet Fusion da HP foi usada pela Blazin Rodz para fabricar mais de 75 peças para um carro personalizado. 

“Não há como podemos projetar e engenhar veículos tão extremos, precisos e dirigíveis como fazemos na Blazin Rodz – em menos de um ano – sem design CAD e impressão 3D. A impressão 3D da HP é um jogo-changer para a indústria inteira, e estamos comprometidos em encontrar aplicações inteligentes e inovadoras para ela em cada peça de assinatura que desenvolvemos e em cada carro personalizado que construímos em frente.”

– Waylon Jeffrey, Líder de Design e Engenharia 3D da Blazin Rodz

Há alguns meses, a empresa de manufatura de drones móveis, Firestorm Labs, obteve direitos de distribuição exclusivos da HP para sua tecnologia de impressão 3D Multi Jet Fusion móvel para permitir a produção no local em contextos médicos, humanitários e comerciais.

A HP é o provedor global de computação pessoal e outros dispositivos de acesso digital, e opera através de três segmentos principais.

O segmento de Sistemas Pessoais oferece desktops comerciais e de consumo, notebooks, estações de trabalho, sistemas de ponto de venda, displays, sistemas híbridos e software; o segmento de Impressão oferece hardware de impressora de consumo e comercial, juntamente com impressão 3D e personalização em mercados comerciais e industriais; e o segmento de Investimentos Corporativos inclui certos projetos de incubação de negócios e investimentos.

Com um valor de mercado de $25,5 bilhões, as ações da HPQ estão sendo negociadas atualmente a $27,22, uma queda de 16,18% desde o início do ano. A faixa de 52 semanas foi de $21,21 e $39,80, enquanto o pico mais alto dessas ações foi alcançado em meados de 2022, quando a HPQ atingiu um pico de cerca de $41,50.

A empresa tem um EPS (TTM) de 2,75 e um P/E (TTM) de 9,96. O rendimento de dividendos oferecido pela HP aos seus acionistas é um atraente 4,23%.

Quando se trata da posição financeira da HP, a empresa relatou receita líquida de $13,9 bilhões, um aumento de 3,1% em relação ao período do ano anterior, para o terceiro trimestre do ano fiscal de 2025. 

Isso inclui $4 bilhões em receita do negócio de Impressão, que foi uma queda de 4% em relação ao ano anterior, com uma margem de lucro de 17,3%. A receita líquida da Impressão de Consumo caiu 8%, a Impressão Comercial caiu 3% e os Suprimentos caíram 4%. As unidades de hardware totais, por sua vez, viram uma queda de 9%, com as unidades de Impressão Comercial caindo 12% e as unidades de Impressão de Consumo caindo 8%.

O lucro líquido por ação da HP, ajustado pelo GAAP, foi de $0,80, e o lucro líquido por ação não ajustado foi de $0,75.

“No trimestre 3, entregamos um quinto trimestre consecutivo de crescimento de receita, impulsionado pela força nos Sistemas Pessoais e pelo forte momentum em nossas principais áreas de crescimento. Esses resultados demonstram nossa agilidade e execução focada no trimestre, reforçam a força de nossa estratégia e nosso compromisso em ser líder no futuro do trabalho.”

– CEO Enrique Lores

Durante este trimestre, a empresa relatou $1,7 bilhão em fluxo de caixa operacional, enquanto o fluxo de caixa livre foi de $1,5 bilhão. A HP também retornou $400 milhões aos acionistas por meio de pagamentos de dividendos de $0,2894 por ação e recompras de ações no valor de $150 milhões. A empresa terminou o trimestre com $2,9 bilhões em caixa e equivalentes de caixa.

Clique aqui para uma lista das principais ações de manufatura aditiva e impressão 3D.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos da HP Inc. (HPQ)

Um Novo Capítulo para a Ciência de Materiais

Com a impressão 3D, a manufatura entrou em uma nova era, permitindo prototipagem rápida, desenvolvimento mais rápido, flexibilidade de design, economia de custos e melhorias na cadeia de suprimentos.

Aproveitando essa tecnologia e combinando-a com a infusão de hidrogel e uma estratégia de infusão-precipitação, os pesquisadores da EPFL produziram metais mais fortes, redefinindo quando e como a identidade do material é determinada na cadeia de produção. Além disso, a flexibilidade que oferece pode ser potencialmente transformadora para indústrias que variam desde energia até engenharia biomédica.

À medida que esses métodos amadurecem, escalam e se comercializam, eles podem introduzir um novo cenário industrial onde a força não é feita, mas cultivada.

Referências:

1. Liu, C., Morimoto, N., Jiang, L., Kawahara, S., Noritomi, T., Yokoyama, H., Mayumi, K., & Ito, K. (2021). Hidrogéis resistentes com auto-reforço rápido. Science, 372(6546), 1078–1081. https://doi.org/10.1126/science.aaz6694
2. Strong, V., Hayashi, Y., Ward, J., et al. (2024, August 23). Hidrogéis de polímero eletro-ativo exibem memória emergente quando incorporados em um ambiente de realimentação. Cell Reports Physical Science, 5, Article 00436. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.00436
3. Ji, Y., Hong, Y., Bhandari, D. R., & Yee, D. W. (2025, September 24). Fotopolimerização de cerâmica e metal em cuba com baixos encolhimentos via infusão-precipitação repetida. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202504951
4. Li, Y., Ma, G., Guo, F., Luo, C., Wu, H., Luo, X., Zhang, M., Wang, C., Jin, Q., & Long, Y. (2024, June 25). Materiais auto-curativos biodegradáveis impressos em 3D e suas aplicações. Frontiers of Mechanical Engineering, 19, Article 17. https://doi.org/10.1007/s11465-024-0787-1
5. Mattingly, F., Kumar, V., Chawla, K., Bras, W., Kunc, V., & Duty, C. (2025, January). Extrusão assistida por vácuo para reduzir a porosidade interna na manufatura aditiva em grande escala. Additive Manufacturing, 97, 104612. https://doi.org/10.1016/S2214-8604(24)00658-4
6. Corsetti, S., Notaros, M., Sneh, T., Stafford, A., Page, Z. A., & Notaros, J. (2024, June 6). Impressora 3D baseada em chip com fotônica de silício. Light: Science & Applications, 13, Article 132. https://doi.org/10.1038/s41377-024-01478-2