Impressão 3D em Escala Nanométrica Parece Pronta para Comercialização

A impressão 3D está em alta agora. Também conhecida como processo de fabricação aditiva, na impressão tridimensional ou 3D, um objeto é criado usando um modelo digital em vez de usar um molde. Nesse processo, várias camadas finas de material são adicionadas umas sobre as outras.

Inventores desenvolveram a técnica em 1984, mas só recentemente ela começou a decolar à medida que os avanços tecnológicos tornaram esse um processo de fabricação viável.

Fabricantes de diversas indústrias utilizam essa técnica para prototipar rapidamente antes de produzir em massa os produtos. Ao tornar a prototipagem mais rápida, fácil e barata, a impressão 3D promove mais inovação e experimentação.

Hoje, o mercado de impressão 3D cresceu enormemente, com avanços constantes e pesquisas ajudando a tecnologia a melhorar ainda mais. O interesse na impressão 3D tem sido tão grande que os cientistas agora trabalham em técnicas de fabricação tanto em escala micro quanto nanométrica.

Embora a impressão 3D seja lenta demais para ser usada na produção em massa, a impressão 3D em escala nanométrica pode resolver esse problema, e provavelmente estará pronta em breve para ser utilizada. 

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Impressão 3D em Escala Nanométrica & seu Potencial

Desde que a tecnologia de impressão 3D foi introduzida, a produtividade manufatureira aumentou. Esse aumento se deve em grande parte ao fato de que a impressão 3D permite uma liberdade de design significativa ao remover quaisquer limitações estruturais ou espaciais dos métodos de fabricação tradicionais. Além disso, destaca-se por ser eficiente em material, oferecendo potencial para fabricação com baixo ou nenhum desperdício. A impressão 3D também desempenha um papel crucial na redução de custos e do tempo de lançamento no mercado para pequenos fabricantes.

No entanto, a maioria das aplicações da impressão 3D está confinada ao tamanho em escala centimétrica. Além disso, desafios mecânicos e de material limitam seu uso principalmente em aplicações de pesquisa. Portanto, para expandir a impressão 3D para uma escala de fabricação em massa e evoluir além da simples prototipagem, a tecnologia deve enfrentar certos desafios relacionados ao tamanho, material e custo.

Por essa razão, muitos pesquisadores estão usando múltiplos materiais em múltiplas escalas de tamanho, um desenvolvimento que traz a impressão 3D em escala nanométrica ao foco. A nanotecnologia envolve medições de menos de 100 nanômetros, uma escala tão diminuta que é invisível a olho nu. 

No âmbito da impressão 3D em escala nanométrica, o objetivo é imprimir objetos medidos em nanômetros. Essa tecnologia representa um salto promissor na fabricação aditiva, permitindo a montagem de objetos átomo por átomo.

O potencial da tecnologia em escala nanométrica se estende ao aumento da eficiência e produtividade em várias indústrias, como baterias, nanorrobótica, microeletrônica, dispositivos médicos, semicondutores e tecnologias de sensores. Esses setores podem ganhar significativamente com a precisão da criação em escala nanométrica sem comprometer a exatidão.

No entanto, o processo de impressão 3D, inclusive em escala nanométrica, continua lento. Também enfrenta limitações nos tipos de materiais que podem ser usados, especialmente na impressão em escala nanométrica. 

Em 2022, pesquisadores desenvolveram um novo método de impressão 3D em escala nanométrica usando um material que se destaca na resistência a forças, oferece proteção e pode absorver o dobro da energia que outros materiais poderiam à mesma densidade. Esse avanço abre inúmeras aplicações em áreas como drones, satélites e microeletrônica.

Outro grande desafio na adoção da impressão 3D é o custo. Os materiais usados são caros, e as próprias máquinas de impressão 3D, que dependem da capacidade de produzir produtos com especificações específicas, são dispendiosas. 

Além disso, as despesas com software, manutenção tecnológica e integração de sistemas aumentam ainda mais o custo total dessa técnica. Devido a esse alto custo, a impressão 3D continua mais viável para produção em pequena escala e altamente especializada.

A pesquisa nesta área vem ocorrendo há algum tempo para abordar diferentes questões. Por exemplo, alguns anos atrás, uma equipe de pesquisadores demonstrou uma técnica de impressão 3D que produz objetos 3D complexos em escala nanométrica rapidamente com características suaves.

No entanto, o fato permanece que, apesar de seu potencial para avançar muitos dispositivos, a impressão 3D em escala nanométrica é extremamente proibitiva em termos de custo. Isso pode finalmente mudar agora, já que novas pesquisas encontraram uma abordagem que reduz drasticamente os custos e as barreiras de entrada, tornando o processo viável para comercialização.

Forma Mais Rápida e Barata de Imprimir Estruturas Metálicas Minúsculas com Luz

A pesquisa mais recente desenvolveu uma nova forma de imprimir estruturas metálicas de tamanho nano baseadas em luz de baixa intensidade. Essa nova abordagem baseada em luz é extremamente rápida, até 480 vezes mais que os métodos atualmente em uso, ao mesmo tempo que é econômica. 

Este novo estudo, chamado “Impressão Escalável de Nanostruturas Metálicas por Projeção de Luz Superluminosa (SLP)”, foi conduzido recentemente pelos coautores Sourabh K. Saha, professor assistente do programa de engenharia mecânica da Georgia Tech, e Jungho Choi, estudante de doutorado no laboratório de Saha.

Segundo Saha, custo e velocidade são dois fatores que são “muito subvalorizados na comunidade científica” ao trabalhar na fabricação e produção de estruturas minúsculas. Embora negligenciados no mundo científico, essas métricas são realmente importantes no mundo real “quando se trata de traduzir descobertas do laboratório para a indústria”.

“Só quando tivermos técnicas de fabricação que levem essas métricas em conta poderemos aproveitar plenamente a nanotecnologia para o benefício da sociedade.”

– disse Saha

Choi e Saha também são inventores de um pedido de patente SLP cujos direitos de propriedade intelectual foram atribuídos à Georgia Tech Research Corporation.

Publicado na Advanced Materials, uma revista científica semanal revisada por pares, o novo estudo revelou que esses pesquisadores desenvolveram um método baseado em luz para imprimir estruturas metálicas em escala nanométrica, que é mais rápido, mais barato e escalável. 

Assim, essa tecnologia tem o potencial de transformar o campo da fabricação aditiva, que é proibitivamente caro e lento. Essa inovação é 35 vezes menos cara que as tecnologias atualmente disponíveis no mercado.

Na verdade, há muitos avanços tecnológicos em várias áreas que dependem da capacidade de imprimir em estruturas metálicas de tamanho nano, uma técnica conhecida como nanopatterning. Essas áreas incluem sensores, dispositivos eletrônicos, fotônica, conversão de energia solar, biomedicina e diagnóstico, e outros sistemas.

Quando se trata de impressão em escala nanométrica, acredita-se que o procedimento requer uma fonte de luz de alta intensidade. Uma dessas ferramentas é o laser femtossegundo, que fornece pulsos de laser ultracurtos em um ponto focal.

Embora realmente benéfica, essa ferramenta pode ser muito cara. Custando até meio milhão de dólares, essa ferramenta não é viável para a maioria dos laboratórios de pesquisa e, claro, para pequenas empresas.

Conforme observado por Saha, é esse custo que dificulta que essas inovações vejam a vida no mundo real, e acabam sendo apenas projetos de laboratório. Ele disse:

“Como comunidade científica, não temos a capacidade de produzir rapidamente e de forma acessível a quantidade suficiente desses nanomateriais, e é por isso que tecnologias promissoras frequentemente permanecem limitadas ao laboratório e não são traduzidas para aplicações no mundo real.”

Então, a próxima pergunta óbvia é: realmente há necessidade de uma ferramenta tão de alta intensidade? A resposta foi negativa, como Saha disse:

“Nossa hipótese era que não precisamos daquela fonte de luz para obter o tipo de impressão que desejamos.”

Como resultado, os pesquisadores começaram a buscar uma luz de baixo custo que tenha baixa intensidade, mas que possa ser focalizada de maneira semelhante aos lasers femtossegundo. E eles encontraram diodos emissores de luz superluminosa (SLEDs), que foram escolhidos por sua disponibilidade comercial. 

Um SLED é uma fonte de luz semicondutora de emissão lateral baseada em superluminescência que combina o brilho e alta potência dos diodos laser com a baixa coerência dos diodos emissores de luz convencionais. A luz emitida pelos SLEDs é significativamente menos intensa que a dos lasers femtossegundo.

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Impressão em Escala Nano no Estilo de Projeção Baseada em Luz de Baixa Intensidade

Com esta pesquisa, Choi e Saha buscaram desenvolver a primeira tecnologia de impressão no estilo de projeção. Esse sistema foi projetado para operar como um projetor digital, convertendo imagens digitais em ópticas e exibindo-as em uma superfície de vidro. 

No entanto, as imagens produzidas por essa tecnologia de impressão são mais nitidamente focadas. Essa nitidez resulta da exploração das propriedades únicas da luz superluminosa para gerar imagens com defeitos mínimos.

Esta técnica SLP ou projeção de luz superluminosa imprime rapidamente nanostruturas subdifração (dimensões menores que o limite de difração da luz envolvida) com luz de baixa intensidade. Os pesquisadores aproveitaram as propriedades de coerência espacial e temporal da luz superluminosa baseada em diodos.

Agora, para sua pesquisa, eles usaram sal metálico junto com outros produtos químicos para desenvolver uma solução de tinta transparente que pode absorver luz. Quando a luz de seu sistema de projeção atingiu a solução, provocou uma reação química, convertendo a solução em metal. Essas nanopartículas metálicas aderiram à superfície do vidro, criando as nanostruturas. 

Ser uma tecnologia de impressão no estilo de projeção significa que pode ser usada para imprimir estruturas inteiras de uma só vez. O fato de, ao invés de ir ponto a ponto, essa técnica fazer tudo de uma vez a torna mais rápida que outros métodos convencionais. 

Testes da impressão de metal em escala nano baseada em projeção de luz revelaram que funciona mesmo com luz de baixa intensidade, desde que as imagens estejam nitidamente focadas.

De acordo com Choi e Saha, seu trabalho pode ser replicado rapidamente por outros pesquisadores usando hardware comercialmente disponível. Isso também não custará muito, já que o tipo de SLED usado em sua pesquisa custa cerca de US$ 3 mil.

Dessa forma, a pesquisa possibilita que pequenas empresas, centros de pesquisa e até indivíduos aproveitem a tecnologia e experimentem‑na para inovar. Segundo Choi:

“Atualmente, apenas as principais universidades têm acesso a essas tecnologias caras, e mesmo assim, elas estão localizadas em instalações compartilhadas e nem sempre estão disponíveis.”

Além disso, Choi disse:

“Queremos democratizar a capacidade de impressão 3D em escala nanométrica, e esperamos que nossa pesquisa abra a porta para maior acesso a esse tipo de processo a baixo custo.”

Essa inovação tem um potencial real de ajudar novas tecnologias a finalmente sair dos laboratórios de pesquisa e entrar no mundo para uso. 

A pesquisa certamente tem amplo potencial de aplicação, com os pesquisadores afirmando que sua técnica será particularmente útil nos campos de óptica e plasmônica, que exigem uma variedade de nanostruturas metálicas complexas.

Outras áreas potenciais onde pode ser usada no futuro incluem componentes eletrônicos menores e mais eficientes para smartphones, computadores e dispositivos vestíveis. Além disso, pode ajudar em sensores avançados, atuadores, sistemas de comunicação miniaturizados, dispositivos biomédicos como implantes e dispositivos de diagnóstico, óptica em pequena escala para câmeras e sistemas de imagem, dispositivos minúsculos para captura de energia e o desenvolvimento de novos materiais com propriedades personalizadas. 

A impressão 3D em escala nanométrica ajudará ainda mais na pesquisa e na criação de soluções ainda mais viáveis.

Empresas Líderes em Fabricação Aditiva

Agora, vamos dar uma olhada em algumas empresas que estão liderando o caminho na Fabricação Aditiva:

#1. Stratasys

O fornecedor de soluções de impressão 3D baseado nos EUA é um líder internacional na indústria de fabricação aditiva. A Stratasys fornece uma variedade de impressoras 3D e materiais para os setores automotivo, de saúde, educação, aeroespacial e várias outras indústrias. A empresa também possui inúmeras patentes de tecnologia aditiva usadas para criar modelos, protótipos, ferramentas de fabricação e peças de produção.

A mais recente impressora 3D da empresa, a F3300, traz melhorias significativas em velocidade e custo. Ela oferece velocidades de eixo aumentadas, taxas de extrusão mais rápidas e calibração automatizada para economizar tempo e aumentar a produção. A máquina destina‑se à produção de peças para uso final e também pode ser usada para prototipagem.

Com uma capitalização de mercado de US$ 902,6 milhões, as ações da Stratasys estão atualmente sendo negociadas a US$ 13,05, queda de 8,61% no ano (YTD). A empresa registrou uma receita dos últimos doze meses (TTM) de US$ 630,52 milhões, com um EPS (TTM) de -1,61 e P/E (TTM) de -8,10.

#2. 3D Systems

Um nome bem conhecido na indústria de fabricação aditiva, a 3D Systems oferece uma ampla variedade de soluções de impressão 3D, que vão desde hardware e software até materiais para indústrias como saúde, aeroespacial, defesa, automotiva, bens de consumo e fabricação geral. 

As tecnologias da 3D Systems incluem Direct Metal Printing, Selective Laser Sintering, MultiJet Printing, ColorJet Printing, Estereolitografia (SLA) e bioprinting baseado em SLA.

No final do ano passado, a empresa anunciou um implante craniano 3D personalizado que foi usado com sucesso em uma cranioplastia no Hospital Universitário de Basel. Espera‑se que o uso de implantes cranianos impressos em 3D tenha um tamanho de mercado de US$ 2,1 bilhões até o final desta década.

Com uma capitalização de mercado de US$ 677,845 milhões, a ação da 3D Systems Corp está atualmente sendo negociada a US$ 5,08, queda de 20% no YTD. A empresa registrou uma receita (TTM) de US$ 505,95 milhões, com um EPS (TTM) de -0,74 e P/E (TTM) de -6,85.

#3. GE Additive

Uma divisão da gigante tecnológica General Electric, a GE Additive possui um portfólio abrangente de impressoras, materiais consumíveis e soluções de software para permitir que empresas em diferentes segmentos de mercado inovem.

No mês passado, a empresa apresentou sua tecnologia de jato de ligante metálico na maior feira de fabricação aditiva (AM) da Europa. Para isso, a GE Additive está trabalhando com um novo setor, o médico, para expandir seus horizontes além da aeroespacial. Com jatos de ligante, a empresa pretende oferecer “um método de fabricação secundário no caso de você ter um problema na cadeia de suprimentos”.

Com uma capitalização de mercado de US$ 141,4 bilhões, as ações da General Electric Co estão atualmente sendo negociadas a US$ 129,93, alta de 1,8% no YTD. A empresa registrou uma receita (TTM) de US$ 67,95 bilhões, com um EPS (TTM) de 8 e P/E (TTM) de 16,24. A GE também paga um rendimento de dividendos de 0,25%.

Considerações Finais

Embora ainda esteja nas fases iniciais de pesquisa, a impressão 2D em escala nanométrica e o cenário da fabricação aditiva estão avançando a um ritmo rápido. Já, como vimos, técnicas de impressão mais rápidas e baratas estão sendo desenvolvidas, tornando a impressão de metal em escala nanométrica escalável e comercialmente viável. 

À medida que novas pesquisas continuam a trabalhar em questões como custo e limitações de material, veremos novas soluções surgirem, removendo barreiras de entrada e produzindo designs de produtos personalizados e sustentáveis. Isso levará ao uso generalizado de técnicas na medicina, moda, produtos de consumo, eletrônicos avançados e muito mais, aumentando finalmente a possibilidade de dispositivos habilitados por nano serem usados significativamente no mundo real e tornando a impressão 3D comercialmente atrativa.

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