Cientistas obtêm sucesso na impressão 3D de peças complexas de grafite com 97% de pureza

Uma equipe de pesquisadores da Rice University, Texas, desenvolveu um novo método de fabricação de estruturas complexas de grafite usando impressão 3D de escrita direta com tinta (DIW).

Tentativas anteriores de impressão 3D com grafite geralmente envolviam a integração de uma forma em pó do material em uma matriz polimérica. Usando tecnologias baseadas em extrusão, é possível criar estruturas mecanicamente sólidas, mas os compósitos resultantes muitas vezes compreendem apenas menos de 50% de grafite em peso. Como tal, as peças de grafite impressas em 3D até agora não ofereceram as propriedades térmicas e elétricas que tornam o grafite puro tão desejável.

Para resolver o problema, os pesquisadores da Rice desenvolveram uma tinta coloidal imprimível em 3D feita de pó de grafite e quantidades minúsculas de argila, obtendo peças DIW complexas com até 97% de pureza.

Grafite: o mineral dos extremos

O grafite é considerado um dos alótropos de carbono mais úteis e possui inúmeras aplicações industriais (sim, é mais do que apenas grafite).

Ostentando uma estrutura atômica 2D em camadas, o material é um ingrediente-chave em vários lubrificantes de alto desempenho. O grafite também oferece excelente estabilidade térmica e química, o que permite resistir às condições ambientais extremas exigidas para cadinhos de metal fundido e núcleos de reatores nucleares. Além disso, a notoriamente alta condutividade elétrica do material também o torna um candidato perfeito para baterias, contatos elétricos e até mesmo eletrônicos flexíveis.

Infelizmente, devido aos desafios do processamento em alta temperatura e à fragilidade intrínseca do material, usar métodos de síntese convencionais para criar peças geométricas complexas feitas de grafite costuma ser extremamente difícil – um problema que a impressão 3D está equipada para resolver.

Como imprimir em 3D peças com 97% de grafite

A tinta de grafite de alta concentração foi formulada pela adição de pequenas quantidades de nanoargila de silicato (3 – 10% em peso) a um banho de água preenchido com flocos de grafite. A nanoargila atuou como um agente de ligação, garantindo que os flocos de grafite fossem distribuídos uniformemente na tinta composta resultante. A adição da argila também aumentou significativamente a viscosidade do material, tornando-o extrudável via DIW à temperatura ambiente. Por outro lado, descobriu-se que uma tinta apenas de grafite obstruía o bocal da impressora 3D, enquanto separava sob pressão.

Quando impressos em 3D, os efeitos do aditivo de nanoargila eram muito aparentes nas estruturas 3D finais. Todos os objetos de teste impressos no estudo exibiram excelente estabilidade estrutural e puderam suportar seu próprio peso sem nenhum problema, apesar de serem geometricamente complexos. Mesmo após a secagem ao ar, as peças conseguiram manter suas formas originais com uma capacidade aprimorada de absorção de energia quando comparadas a uma tinta somente de grafite.

A equipe da Rice já usou sua nova formulação de 97% de pureza para várias aplicações de grafite. Isso inclui moldes impressos em 3D usados ​​para fundir estanho, um circuito elétrico de grafite usado para acender LEDs e um elemento de aquecimento impresso em 3D capaz de levar a água ao ponto de ebulição.

Mais detalhes do estudo podem ser encontrados no artigo intitulado 'Impressão tridimensional de estruturas complexas de grafite'. É co-autoria de Seyed Mohammad Sajadi, Shayan Enayat, et al.

O grafite e sua forma de camada única, o grafeno, são o tema de muitas pesquisas dentro e fora do setor de impressão 3D. Pesquisadores da Universidade de Buffalo desenvolveram recentemente um novo aerogel de grafeno purificador de água impresso em 3D, capaz de tratar águas residuais em larga escala. Composto por um aerogel tipo isopor, grafeno reticulado e dois polímeros bioinspirados, o novo material é capaz de remover corantes, metais e solventes orgânicos da água potável com 100% de eficiência.

Em outro lugar, na FAMU-FSU College of Engineering, os cientistas desenvolveram um conjunto de parâmetros para estruturas baseadas em grafeno de impressão 3D com qualidades condutoras otimizadas. Após uma série de testes, a equipe descobriu que, embora fatores como pressão de impressão e diâmetro do bocal afetassem as propriedades do compósito, em velocidades de impressão específicas, suas partículas poderiam ser alinhadas de uma maneira específica.