Do agronegócio à biomedicina, a impressão 3D tem se mostrado uma tecnologia versátil e em constante evolução. No IFRS Campus Ibirubá, um projeto promissor está dando novos rumos a essa área: o professor e engenheiro mecânico Emerson Passari está à frente de uma pesquisa que estuda a combinação do PLA, um dos filamentos mais utilizados na impressão 3D, com o grafeno — um material ultrarresistente e leve, capaz de melhorar significativamente a performance de peças impressas.

Nesta entrevista, Emerson fala sobre os desafios da pesquisa, o impacto do grafeno nas propriedades mecânicas do PLA, o potencial de aplicação desse novo material em diferentes setores e o papel da inovação científica mesmo em ambientes com infraestrutura limitada. Ele também fala sobre os próximos passos do estudo, que já despertou o interesse de empresas do setor e promete colocar Ibirubá no mapa da manufatura aditiva nacional.

Por que você escolheu trabalhar com o grafeno junto com o PLA?

 O PLA é um material bastante utilizado na indústria, então dentro da indústria de impressão 3D ele é o mais utilizado pela facilidade de impressão. O grafeno hoje é um material que está em alta, então tem muitas pesquisas sendo feitas nesse material, por ser um material que tem bastante resistência mecânica, então um dos desafios de transformar um material polimérico em composto é saber com o que ele vai interagir bem. E o grafeno tem dado indícios dentro da literatura que tem uma boa combinação, uma boa sinergia com o PLA, então a ideia é basicamente trabalhar explorando essa combinação.

A gente também vai trabalhar com fibra de carbono dentro dessa pesquisa. O que a gente já fez com o grafeno a gente vai fazer com fibra de carbono e comparar se eles são similares ou não, mas geralmente é o carbono adicionado. É o polímero que vai dar essa resistência mecânica diferente, vai mudar essas propriedades do material base.

 E durante esse processo de pesquisa, a produção dos filamentos, o processo de impressão, quais foram os maiores desafios que você encontrou?

Bom, a gente tem um desafio bem grande, inclusive nos materiais que a gente está desenvolvendo para publicação, porque os avaliadores perguntam muito como foi desenvolvido esse material. Atualmente a gente o desenvolve em parceria com uma empresa que produz filamentos, então essa empresa lá tem uma caixa preta, vamos dizer assim, nessa informação.

 Então eles estão interessados nos dados que a gente consegue tirar desse trabalho, e ao mesmo tempo a gente está interessado no que a gente pode fazer com esse material novo.

O desafio talvez seja compreender ainda mais essas propriedades do material, e isso talvez hoje dentro do IEF falte alguns recursos, alguns equipamentos mais sofisticados para fazer uma análise mais profunda, então a grande parte está nesse envolvimento dos materiais a nível nano, a nível micro praticamente, porque hoje a gente ainda tem uma limitação de equipamentos para fazer essa análise.

Aqui no campus não teríamos os equipamentos necessários, é isso?

Para falar a verdade, aqui no Rio Grande do Sul são apenas três lugares que tem, se não me engano, a UPF, a UFRGS e a PUC. Então são bem específicos os equipamentos necessários para explorar fortemente como a gente gostaria.

 Entendo. E você considerou nessa escolha questões ambientais, questões de segurança, como é que foi esse processo?

 Então, atualmente ainda não. A gente sabe, eu como professor de materiais, eu sempre falo muito para os meus alunos que quando a gente sai do material polimérico, que ele é extremamente reciclável, e vai para o material compósito, uma das principais perdas que a gente tem é da reciclagem dele. Então a gente vai ter um material com menor poder de reciclagem, isso a longo prazo não é muito interessante, porém a curto prazo pode entregar algumas melhorias significativas dentro da indústria.

 Então não está sendo considerado neste momento, mas pensa-se como que a gente pode abordar isso para ainda tornar interessante, principalmente num ponto de vista ambiental que é tão necessário na nossa sociedade hoje.

E como é que você vê essa questão de sustentabilidade aplicada a esses polímeros que vocês estão trabalhando?

 Então, a sustentabilidade ela é sempre um desafio em qualquer escala, mas o que é muito interessante, não só dentro da minha área de pesquisa, mas como todo um grupo da eletromecânica, principalmente com impressão 3D, a gente vem abordando muito a reciclagem desses polímeros que são impressos.

 Porque hoje, vamos dizer, está tendo uma popularização da impressão 3D, do filamento por fusão, e o que acontece é que daqui a pouco vai ter muita gente comprando filamento, imprimindo em casa e criando, vamos dizer, lixo que não é realmente reutilizado. Então alguns outros professores têm feito trabalhos, então, tentando fazer uma recuperação desses materiais.

 E aí o que a gente está tentando fazer nessa nossa pesquisa não tem esse foco sustentável, mas está criando, vamos dizer, demandas para que eles também consigam compreender que, olhando de forma geral, a indústria vai trabalhar nesse caminho, vão criar materiais compostos e agora o que a gente vai fazer para reciclar esses materiais, para diminuir esse impacto ambiental resultante desse novo tipo de material que vai ser aceito de qualquer forma dentro do mercado.

 E você já tem alguma ideia do que pode ser feito?

Hoje o que pode ser feito realmente é a grande vantagem do filamento com uma carga pequena desse material, então forma um composto, mas um composto, vamos dizer, mais fácil de reciclar, é realmente transformar novamente o filamento e poder reutilizar.

 Então uma grande característica positiva desse tipo de material é que diferente dos compostos tradicionais, lá, por exemplo, uma fibra de vidro, uma fibra de carbono com polímero, ele é um termoplástico. Então os termoplásticos, como característica, eles podem ser reaquecidos e reaproveitados.

 Quando a gente trabalha com resina epóxi, por exemplo, utilizou uma vez, fundiu uma vez, a gente não consegue retrabalhar aquilo ali só perdendo toda a resina para aproveitar a fibra ou vice-versa.

 E dentro da tua pesquisa, quais foram os resultados que mais te surpreenderam, que você achou mais significativos?

Bom, é significativo, vamos dizer assim, que uma carga tão pequena, atualmente a gente só fez o grafeno, ainda vamos desenvolver na parte da fibra de carbono, mas uma carga pequena de grafeno teve sim uma influência significativa, estatisticamente significativa. Isso é muito positivo. Significa que a gente pode ter uma adição pequena de um material que daqui a pouco não vai comprometer, por exemplo, tanto a sustentabilidade desse material, mas que a gente consegue ter resultados realmente promissores ali que vão aumentar em torno de 10% para uma adição de 1% que a gente utilizou, 0,1%. Então, é bem significativo o quanto torna mais resistente essa pequena adição de material.

 Então, daqui a pouco, não sei nem se a indústria pretende futuramente vender isso como, vamos dizer, um composto ou sim um PLA melhorado com adição de grafeno. Só uma categoria superior, vamos dizer assim.

Você apontou no seu estudo que melhorou a capacidade de lidar com o stress antes de deformar o material de 9,88%. Você pode explicar para a gente, que não é da área, como que isso se aplica na prática? Qual é a significância disso na prática?

Vamos imaginar, por exemplo, alguma peça, alguma coisa assim, feita com impressão 3D.

 Vamos supor, um suporte de parede. O pessoal pode usar como um suporte para prateleiras, por exemplo. Então, no natural, você poderia colocar 10 quilos, vamos supor, com a adição desse material, você pode colocar 11 quilos.

 Uma carga pequena parece não ser tão significativa, mas quando a gente trabalha em 100 quilos para 110 ou 200 quilos para 220, já começa a se tornar interessante esse aumento, ele começa a ser mais expressivo.

 Então, de forma geral, esse aumento dessa resistência mecânica que a gente fala, na verdade, nada mais é que o quanto de carga ele consegue aguentar, o quanto de força aplicada nele e, realmente, ela consegue ser mais elevada do que o tradicional.

Essa adição de grafeno, ela agiu em outras propriedades do material, por exemplo, resistência térmica, enfim?

 É uma das etapas da pesquisa que vamos trabalhar ainda para conseguir incorporar. Ela vem sendo proposta em parceria com o campus de Caxias.

 A gente ainda está em contato, Caxias e Farroupilha são dois IEFs que têm a capacidade, têm os laboratórios adequados para fazer essas análises. Ainda não fizemos totalmente o contato com eles. Só apenas pequenos, breves contatos.

 Então, no momento que a gente conseguir realmente, olha, vamos levar a nossa pesquisa adiante e abordar essas análises térmicas. Aí, a gente tem esses parceiros dentro do próprio IF, em outros campi, para trabalhar em cima.

 Acho que, sim, a expectativa ou o que a literatura aponta é que, sim, tem uma mudança. Mas a gente não sabe do nosso material se essa mudança é expressiva ou não.

 E vocês fizeram algum outro teste, por exemplo, de durabilidade a longo prazo, fadiga?

 Não foi feito essa durabilidade. Ela é um pouco mais complexa de fazer. Porque a gente tem hoje um equipamento de fadiga desenvolvido pelo professor Adão. Que é, vamos dizer, caseiro. Ele também é um projeto de ensino e pesquisa que vai ser aperfeiçoado.

 E hoje ele não é, vamos dizer, um equipamento certificado que eu possa trabalhar em cima desse equipamento, utilizando esse equipamento como uma base como eu tenho feito com os outros que estão no laboratório. Então, no momento que ele estiver 100% calibrado, a gente possa dizer, que é um equipamento confiável pra gente trabalhar com ele pra ter dados confiáveis. Aí, sim, pretende-se trabalhar dentro dessa análise de fadiga.

Então, se realmente, a longo prazo, esse material vai durar mais, considerando uma análise de ciclo de vida, que é importante na parte ambiental, se ele tiver uma durabilidade maior do que ele é tradicional. Então, aquela parte que, talvez, impacte negativamente no ponto de vista ambiental, de ter o grafeno, pode ser reduzida com maior durabilidade desse material. Então, impacta menos para o meio ambiente.

Ainda falando das propriedades do material, você aponta no seu estudo que o material aumentou a rigidez, mas diminuiu a ductibilidade. Isso, então, poderia ser melhorado, aperfeiçoado com a porcentagem de grafeno? Aumentando ou diminuindo, enfim?

 É um ponto, sim. Agora, a se trabalhar para se compreender completamente o que a gente pode fazer. Não necessariamente, é que vai depender muito da aplicação. Algumas aplicações, vamos querer mais ductilidade. E aí, não vai ser interessante ter tanta resistência mecânica.

 E outras aplicações, a gente quer a resistência mecânica. Que é a resistência à tração, que é o que eu havia explicado antes, e a ductilidade não vai fazer diferença, porque a gente não quer, por exemplo, que a prateleira entorte quando a gente vai aplicar carga, que seria o efeito da ductilidade. A ductilidade seria o quanto ela pode ser maleável antes de romper. Então, nesse caso, a gente não quer que ela seja maleável. A gente quer que ela seja bem rígida. Então, nesse ponto, o grafeno é interessante. Ele continua mais rígido e aguenta mais carga. Mas, em alguns casos, algumas aplicações, a gente quer que seja maleável. Daí, não é interessante usar grafeno e sim o PLA convencional.

 E o quanto que você pode generalizar esse resultado para outras impressões ou configurações de impressões diferentes?

Em questão de impressora, a princípio, é bem possível generalizar em forma completa, de forma global. Não é a impressora que vai influenciar no processo.

 Dentro da pesquisa, sim, a gente tem feito uma combinação de parâmetros para ver: uma coisa é a gente comparar o PLA normal com o PLA com adição de grafeno.

 Além disso, a gente fez comparações de parâmetros, ou seja, velocidade de impressão, altura de camada, fatores que afetam a impressão 3D. E, basicamente, a gente ranqueou isso de forma a verificar o que mais afetou na resistência foi a adição de grafeno. Mas, depois disso, o que mais afetou foi o número de camadas externas de uma borda.

 Então, basicamente, a gente está criando um conhecimento, uma data base de conhecimentos que pode ser replicado, por exemplo, em quem for fazer um projeto impressa em 3D já pensando assim, como é que eu faço para ter a melhor configuração em relação à resistência mecânica.

 Então, ele já vai ter, com base nesse estudo, dados que realmente são confiáveis. Que podem ser generalizados nesse aspecto sem nenhum problema. Seria um ponto de partida pra próximas pesquisas.

E como que você considera a viabilidade econômica do uso de grafeno em larga escala? Já que você mencionou que seria uma quantidade irrelevante de aumento da carga em grandes escalas.

A viabilidade econômica, quando a gente trabalha com uma empresa parceira, ela é bem uma caixa preta, né? Então, eu não posso ainda afirmar com uma precisão absoluta. Mas, pelo que a gente tem conversado, inclusive, com os dados preliminares, a empresa resolveu lançar no mercado antes mesmo de ser publicado o artigo.

 Então, pelo movimento deles, eu acredito que tem uma viabilidade econômica. Porque a quantidade de grafeno que é adicionado, ela é muito baixa comparado ao ganho que se tem mecânico.

 Então, para empresa que produz, talvez não seja um custo muito elevado em comparação ao quanto de mercado eles vão gastar. Eles vão ganhar com um material realmente superior. Então, eu acredito que tem uma viabilidade econômica bem interessante, apesar de não poder, infelizmente, divulgar os dados que não tem acesso.

 E, falando de que a empresa já está comercializando esse produto, quais são as aplicações reais? Aplicações em indústria, pesquisa, enfim que você vê que podem, primeiro, adotar o uso do PLA com grafeno?

O que mais tem se utilizado hoje, vamos dizer assim, a aplicação de impressão 3D, principalmente PLA, que exige uma certa resistência mecânica, são em maquetes, por exemplo, que em algum momento, precisam ter alguma carga adicional. Então, ela tem que ter uma certa resistência. O pessoal da arquitetura utiliza muito material hoje impresso em 3D.

 Protótipos, por exemplo, de próteses, de órteses, materiais externos. Então, vamos supor que eu queira fazer uma tipoia, alguma coisa assim, posso fazer impressa em 3D com boa fidelidade. E, ao mesmo tempo, com uma resistência que eu possa apoiar meu braço sem que o material quebre ou dê algum problema.

 Na parte da indústria mesmo, que vamos dizer, é o meu chão. Hoje a gente tem muito o mercado de peças de reposição. Então, imagina que o pessoal tem um maquinário muito antigo, que a empresa lá que fabricava aquele material não tem mais peças disponíveis, quebrou uma engrenagem, quebrou algum componente. Claro que uma engrenagem que não seja metálica, uma engrenagem polimérica, é facilmente substituível por uma peça em 3D. E daqui a pouco ela pode ter realmente a mesma resistência mecânica que a peça original, considerando esse material com uma quantidade de aditivos.

 Você mencionou que a empresa está comercializando. Tem algum tipo de patente para o IF, alguma coisa nesse sentido aqui?

Não, porque não é, vamos dizer, uma tecnologia exclusiva. Hoje ela é feita no exterior, já não tem, vamos dizer, patente, porque essa parte de materiais ela ainda é um pouco aberta, assim, essa inovação. Então eu acredito que não haja nenhuma patente, nem pensamos nisso no momento, mas eu acho que pode ser um ponto de partida, sim, pra pesquisas futuras que possam gerar, de fato, alguma patente.

 E você mencionou que vocês testaram agora o grafeno, vão testar a fibra de carbono. Tem algum outro nanomaterial ou misturas de biopolímeros que vocês pretendem testar no futuro, para as próximas pesquisas?

É, eu tenho um pensamento, e aí a gente está falando de pesquisa realmente a bastante longo prazo,  3, 4, 5, 10 anos, que seria, em vez de ter esses materiais que vão formar um compósito, vamos dizer, bastante rígido, mas com fibras, utilizar, que nem você fala, um biomaterial que torne, além do polímero que já é biodegradável, torne-o ainda mais biodegradável, sem comprometer essa resistência, de fato, melhorando a resistência mecânica e ainda deixando ele mais biodegradável.

 É claro que é um horizonte muito distante, a gente precisa também ter um contato muito legal com essas empresas que produzem, pra eles acharem também uma viabilidade econômica para isso, mas eu acho que é um caminho futuro que torna muito esperançoso essa perspectiva.

 E você vê a possibilidade de ferramentas de software que já possam otimizar automaticamente as configurações da impressão para esse tipo de material?

Sim, hoje os softwares, os fatiadores das próprias empresas que fabricam as impressoras 3D, o software que faz a modelagem para impressão, e ele já dá uma versão otimizada.

 Só que a gente sabe que o otimizado deles talvez não seja o otimizado nosso, eles ainda podem utilizar essas bases e o que as grandes empresas têm feito, pegar bases científicas de estudos comprovados e utilizar isso para alimentar as IA’s que já estão dentro desses softwares e tornar ainda mais assertiva aquela otimização. Então eu acho que já existe, mas o que existe ainda será aprimorado e baseado nesses materiais.

 Você falou que já existe uma ideia de uma colaboração com o campus Caxias do Sul, também o campus Farroupilha, tem alguma outra instituição, seja de pesquisa, ou de repente alguma indústria, algum comércio que demonstrou interesse em fazer colaboração nessa pesquisa?

Vamos dizer, da empresa olhar para nós e demonstrar interesse, ainda não. Isso muito porque os dados ainda não foram publicados dessa pesquisa inicial, a gente ainda está no processo, sabe que é extremamente demorado, dependendo da revista, de conseguir publicar.

 Então eu prevejo que até final deste ano os primeiros artigos vão ser publicados, mas é um tempo considerável. E baseado nesses artigos publicados, sim, eu quero fazer uma divulgação mais legal, mais atrativa para o pessoal externo querer ser colaborador. Mas eu já tenho contato, assim, com o pessoal da UFRGS também, que tem algumas pesquisas na área, para desenvolver algo junto. Então a ideia realmente é a gente ter a parceria que vise o mesmo interesse.

Uma coisa um pouquinho mais específica, que eu pensei agora, falando aqui da nossa região, que a gente tem bastante indústrias da área metalmecânica, isso seria interessante para essas indústrias também, esse tipo de material?

Eu me pergunto isso todos os dias. Porque, sim, é muito interessante esse tipo de material na indústria metalmecânica. O grande desafio é que a indústria metalmecânica agrícola, ela trabalha com cargas muito elevadas, e, vamos dizer, precisa de muito mais resistência do que, por exemplo, uma indústria automotiva, que talvez essa inclusão seja mais natural do que aqui na indústria agrícola. Mas acredito que em médio, longo prazo, né, pelo andar que está acontecendo na indústria agrícola, é possível, sim, que tenha uma aplicação mais interessante.

 Venho me capacitando muito nessa área para entender realmente qual é a demanda do setor agrícola. Se fala bastante, por exemplo, em compactação do solo. Então, o solo, ele se torna compactado devido ao peso das máquinas, então, se as máquinas forem mais leves, a gente consegue compactar menos o solo e ganhar produtividade no setor agrícola. Então, como diminuir o peso de máquinas, né?

 Um grande desafio que hoje, primeiramente, é explorado dentro do próprio setor metalmecânico. Metal, né? Materiais metálicos. Mas talvez a substituição gradual de alguns materiais metálicos por poliméricos mais leves, e com uma resistência similar, possa ser, sim, um caminho, para a gente, pensando no futuro, conseguir ganhar essa produtividade.

 E você tem várias ideias para as pesquisas do futuro. E a curto, médio prazo, quais são os próximos passos?

Bom, os próximos passos, de fato, são explorar agora o PLA com fibra de carbono. A gente está agora tendo o nosso primeiro bolsista dentro desse projeto, então, a ideia é não só comparar resistência à tração, mas, sim, compressão. Alguns outros ensaios que vão dar uma dimensão maior da compreensão desse comportamento mecânico. Isso é bem interessante. Começar a explorar a parte térmica. E, vamos dizer, em curto prazo, médio prazo, isso aí já é um desafio bem grande. Um trabalho bem extenso.