Sem acesso a equipamentos científicos específicos? Não se preocupe – Imprima com fabricação aditiva

A necessidade de equipamentos científicos está aumentando em todo o mundo. Segundo uma estimativa, o tamanho do mercado de instrumentos científicos deve crescer de pouco mais de US$28 bilhões em 2022 para mais de US$34 bilhões em 2028, com um CAGR de 3,2%.

Equipamentos científicos de diferentes tipos ajudam a acelerar o desenvolvimento científico, reduzindo o risco de erro humano e automatizando processos iterativos. Isso libera tempo para que os cientistas idealizem conceitos e soluções.

De acordo com Mikael Hagstroem, o Chief Executive Officer da Technology Networks, até 70% do tempo de um trabalhador de laboratório pode ser desperdiçado na realização de tarefas administrativas, trabalhos de preparação, busca e limpeza de dados ou relatórios.

Como os instrumentos científicos economizam muito tempo e simplificam processos de forma eficaz, pode ser frustrante não ter acesso a um equipamento científico específico no momento certo. Mas hoje em dia há quase nenhum motivo para reclamar dessa disponibilidade.

A fabricação aditiva, popularmente conhecida como impressão 3D, chegou para salvar. Como a fabricação aditiva ajuda a acessar equipamentos científicos específicos é algo que analisaremos em detalhes nos próximos segmentos. Mas, antes de aprofundar, vamos ter uma visão rápida do que é fabricação aditiva ou impressão 3D!

O que é Fabricação Aditiva?

Um explicador relevante sobre fabricação aditiva, publicado pela MIT Sloan School of Management, define-a como ‘o processo de criar um objeto construindo-o camada por camada. É o oposto da fabricação subtrativa, na qual um objeto é criado removendo material de um bloco sólido até que o produto final esteja completo.’

De forma geral, o processo de fabricação aditiva segue uma sequência de três etapas, que são as seguintes: 

• Primeiro, um design é criado no laboratório. Isso pode ser feito usando Design Assistido por Computador (CAD) ou software similar. Ou pode-se escanear diretamente um objeto que se deseja imprimir.
• A segunda etapa envolve o software converter o design, passo a passo, em uma estrutura em camadas, que a máquina de fabricação aditiva ou impressão 3D seguirá.
• A etapa final, que também é a razão pela qual o processo é chamado de impressão 3D, envolve enviar a estrutura em camadas para uma impressora 3-D, que então começa a criar o objeto imediatamente. 

A fabricação aditiva ou impressão 3D é compatível com uma variedade de tipos de materiais, incluindo polímeros, metais, cerâmicas, espumas, géis, biomateriais e mais. 

De acordo com Arvind Kalidindi, candidato a PhD em ciência e engenharia de materiais no MIT:

“Desde que você encontre uma maneira de unir duas partes localmente, você pode imprimir em 3-D.”

Essa versatilidade e quase universal compatibilidade tornam a impressão 3D ou fabricação aditiva adequadas para fabricar equipamentos científicos específicos. Agora veremos alguns exemplos abaixo: 

Componentes Portáteis de Espectrômetro de Massa Impressos em 3D e Mais

Um espectrômetro de massa é um dispositivo que pode identificar substâncias químicas. Os espectrômetros de massa são usados em diversas áreas de aplicação, desde cenas de crime até levantamentos geológicos; eles servem a muitos propósitos. 

Um grupo de pesquisadores do MIT desenvolveu um filtro de massa impresso em 3D que funciona como o componente central de um espectrômetro de massa. Conhecido como quadrupolo, esse filtro miniaturizado é substancialmente mais leve e barato que seus equivalentes tradicionais. Enquanto filtros de massa de grau comercial, construídos a partir de vidro-cerâmica resistente ao calor, resina, custam mais de US$100,000, esses filtros de massa derivados de fabricação aditiva custam poucos dólares e podem ser produzidos em horas. 

De acordo com Velasquez-Garcia, cientista principal de pesquisa nos Laboratórios de Tecnologia de Microsistemas do MIT, “Existem outros filtros quadrupola miniaturizados, mas eles não são comparáveis com filtros de massa de grau profissional. Há muitas possibilidades para este hardware se o tamanho e o custo puderem ser menores sem afetar adversamente o desempenho.”

Embora o exemplo citado acima seja uma das conquistas mais recentes na área, exemplos como este já foram registrados anteriormente no campo de P&D em ciência e tecnologia. Por exemplo, pesquisadores da Universidade McGill desenvolveram uma tecnologia de diagnóstico lab-on-a-chip que substitui o uso de muitos instrumentos de laboratório e funciona como tecnologias miniaturizadas. O chip pode ser produzido em 30 minutos usando impressão 3D. Relatórios sugerem que a solução pode capacitar profissionais de saúde a criar “soluções sob medida para necessidades específicas diretamente no ponto de atendimento.” 

Outra equipe de pesquisadores do MIT usou impressão 3D multimaterial para criar dispositivos fluidicos auto-aquecidos que vêm com elementos de aquecimento incorporados. Estes são máquinas miniaturizadas que podem manipular fluidos e facilitar reações químicas. Em vez de várias máquinas grandes e de alta tecnologia trabalhando simultaneamente, essa tecnologia é capaz de detectar doenças em pequenas amostras de sangue ou fluidos. 

Acessando Equipamentos Científicos de um Local Remoto

A impressão 3D de equipamentos científicos e de laboratório também ajudou a remover as restrições que surgem na forma de distância física/geográfica. Anteriormente, as impressoras 3D exigiam a presença de um operador treinado no local. No entanto, com o surgimento da pandemia de COVID-19, surgiram soluções que tornaram o trabalho remoto possível no domínio da fabricação aditiva.

Por exemplo, o MakerBot CloudPrint desenvolveu uma solução para que equipes de engenharia trabalhem efetivamente de forma remota ou em locais diferentes. Sua plataforma de impressão 3D baseada em nuvem oferece um fluxo de trabalho contínuo para equipes que têm presença em múltiplas localidades. Engenheiros que trabalham em diferentes locais podem colaborar efetivamente com essas impressoras 3D ao fatiar e preparar suas impressões 3D diretamente de um navegador. 

O dispositivo vem com recursos integrados de fila e monitoramento e permite que os usuários adicionem, monitorem e controlem o acesso a impressoras MakerBot conectadas de qualquer lugar. Possui também um painel para rastreamento e monitoramento centralizado do progresso de impressão. As transmissões de câmera ao vivo ajudam a obter as atualizações de status mais recentes dos trabalhos de impressão. 

Soluções como estas e outras tornaram o fluxo de trabalho suave, contínuo e econômico para muitos fabricantes de equipamentos científicos. 

Tipos de Fabricantes de Equipamentos Científicos que se Beneficiam da Fabricação Aditiva/Impressão 3D

Fabricantes de equipamentos de pesquisa espacial são um segmento que se beneficiará significativamente da fabricação aditiva ou impressão 3D. A pesquisa científica demonstrou uma forma de construir equipamentos de laboratório impressos em 3D para medir materiais a granel em condições extremas que os projetos de exploração espacial apresentam aos pesquisadores. 

Em 2022, a Nature Journal mencionou um estudo onde um dispositivo impresso em 3D foi desenvolvido para medir a tensão superficial de nanofluidos. O resultado da medição foi comparável com dispositivos comerciais. 

O estudo também investigou as possibilidades de usar instrumentos de medição através do método de impressão 3D por extrusão de material para medir propriedades mecânicas-físicas selecionadas de materiais a granel em condições extremas. 

Outro tipo de fabricante de equipamentos científicos que se beneficia da fabricação aditiva ou impressão 3D pertence ao campo da eletrônica. A precisão dos processos de fabricação aditiva baseada em laser ajuda a criar sistemas microeletromecânicos. É possível desenvolver componentes intricados como acelerômetros e giroscópios nesse processo. 

A fabricação de instrumentos educacionais é outro campo que pode aproveitar a fabricação aditiva de forma eficiente. Existem impressoras 3D que ajudam estudantes a experimentar hardware de engenharia de precisão e materiais de grau industrial. 

Algumas características comuns dessas instalações incluem a capacidade de trabalhar com uma variedade de materiais de origem em uma única plataforma. Elas são seguras de usar e requerem pouco ou nenhum equipamento de proteção individual. Os instrumentos de fabricação aditiva vêm com software integrado para controle e monitoramento fáceis e contínuos. 

Muitas empresas estão facilitando a fabricação aditiva ou impressão 3D para uma variedade de indústrias. Agora veremos algumas dessas empresas.

#1. Markforged

Markforged oferece um espectro completo de soluções de fabricação aditiva, incluindo máquinas de impressão 3D industriais, materiais de alto desempenho como metais, fibras contínuas e compósitos, e software empresarial que ajuda a melhorar o fluxo de trabalho. 

Markforged tem três tipos de impressoras 3D, incluindo impressoras 3D de metal, impressoras 3D industriais de compósito e impressoras 3D de compósito de mesa. As indústrias que utilizam essas soluções incluem aeroespacial, automotiva, bens de consumo embalados, educação e pesquisa, fabricação de eletrônicos, energia, governo e defesa, equipamentos industriais, médico, etc. 

Um dos produtos mais populares da Markforged é o FX10, a impressora 3D industrial de compósito de próxima geração da empresa. O dispositivo vem equipado com um módulo de visão e micrômetro a laser, uma câmara de material avançada para carregamento rápido e intervenção reduzida do usuário, uma tela sensível ao toque de 7 polegadas e uma câmara de construção aquecida que atinge até 60 graus Celsius. 

Markforged anunciou seus resultados do quarto trimestre e resultados do ano completo de 2022 em março de 2023. A empresa registrou um aumento de receita de 11% para US$29.7 million no quarto trimestre de 2022, comparado a US$26.6 million no quarto trimestre de 2021. A receita anual aumentou 11% para US$101.0 million em 2022, em comparação com US$91.2 million em 2021. No entanto, o lucro bruto diminuiu 4%, para US$50.7 million, em 2022, em relação a US$52.9 million em 2021.

#2. Hewlett Packard

Outra grande empresa de tecnologia que investe fortemente em tornar a impressão 3D disponível para todos é a Hewlett-Packard ou HP. As soluções de impressão 3D da HP são usadas em uma variedade de indústrias, incluindo aeroespacial, bens de consumo e eletrônicos, educação, saúde e medicina, industrial, serviços de manufatura, fibra moldada, ortóteses e próteses, transporte e automotiva, e mais. Uma dessas áreas de aplicação que requer acesso a equipamentos científicos específicos é a Educação. A tecnologia de fusão multi-jet da HP ajuda a construir peças e protótipos funcionais em múltiplas disciplinas dentro de uma instituição de educação/pesquisa, da engenharia à arquitetura. 

As soluções de impressão 3D Jet Fusion da HP ajudam tanto a pesquisa de laboratório 3D básica quanto avançada, incluindo aquelas realizadas em laboratórios de desenvolvimento, laboratórios de fabricação aditiva, bureaus de serviço universitário e laboratórios 3D hospitalares/médicos.

A HP divulgou seus resultados do ano completo e do quarto trimestre em 21 de novembro de 2023. A HP Inc. (HPQ ) e suas subsidiárias (“HP”) registraram uma receita líquida de $53.7 billion, queda de 15% (queda de 12% em moeda constante) em relação ao período do ano anterior. A receita líquida do quarto trimestre foi $13.8 billion, queda de 6% (queda de 5% em moeda constante) em relação ao ano anterior.

#3. Formlabs

A Formlabs foi fundada por três estudantes de pós-graduação do MIT em 2011, com a missão de construir a primeira impressora 3D que pudesse alcançar qualidade industrial e profissional a um preço acessível. Desde então, a empresa se tornou um dos maiores fornecedores de impressoras 3D profissionais de estereolitografia e sinterização seletiva a laser no mundo. 

O portfólio da Formlabs combina impressoras 3D de mesa acessíveis e de qualidade industrial, impressoras 3D de grande formato e impressoras 3D de mesa avançadas para a área da saúde. Suas impressoras podem trabalhar com mais de 20 resinas funcionais para prototipagem e produção de peças finais. Elas também são compatíveis com pelo menos seis materiais industriais de alto desempenho, incluindo nylon 11, nylon 12, TPU, polipropileno, vidro e compósitos de nylon preenchidos com carbono. As impressoras são adequadas para operar em condições ambientes, sendo que apenas as resinas PU requerem um armário seco para controle de umidade. Também funcionam bem em ambientes de ar e em atmosfera de nitrogênio para melhorar as propriedades dos materiais e reduzir as taxas de renovação.

De acordo com relatos publicados em 2021, a empresa dobrou sua avaliação para US$2 billion, following a US$150 million funding round led by SoftBank Group’s Vision Fund 2. Before this, the company was valued at over $1 billion when it raised $15 million in funding from New Enterprise Associates (NEA) in agosto de 2018.

Fabricação Aditiva: Um Divisor de Águas no Campo da Pesquisa Científica

A pesquisa científica requer máquinas de ponta, porém esses são dispositivos de alto custo que muitas vezes estão fora do alcance de instituições de pesquisa e pesquisadores independentes. Nesse contexto, a impressão 3D ou fabricação aditiva é uma bênção, pois são fáceis de desenvolver e de baixo custo. Além disso, oferecem resultados comparáveis aos dispositivos comerciais em precisão, que são muito mais caros e tipicamente acessíveis apenas a grandes empresas e instituições.

Além disso, a fabricação aditiva também resolve os desafios logísticos. Isso é crucial, pois trazer o equipamento científico exato no momento específico de necessidade pode ser caro e demorado. Nesse sentido, a impressão 3D também ajuda a resolver esse desafio.

Além disso, ao considerar os aspectos físicos dos equipamentos científicos, que frequentemente são pesados e complexos e não são adequados para transporte a locais de difícil acesso, os benefícios tornam-se ainda mais claros. Como já vimos em cenários de exploração espacial e levantamentos geológicos, transportar impressoras 3D portáteis e matérias-primas para esses locais é útil para desenvolver o equipamento no local.

No conjunto, esses fatores demonstram que a fabricação aditiva abre um novo horizonte onde o acesso a equipamentos científicos torna-se não apenas mais acessível, mas também uma prática sem complicações.

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