|Série Estruturas celulares: A engenharia imitando cada vez mais a natureza| #2 – Onde as estruturas celulares encontram aplicação na engenharia? (V.6. N.9. P.3, 2023)

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Onde as estruturas celulares encontram aplicação na engenharia?

Na verdade, o uso de estruturas celulares em engenharia não é nada novo. Há várias décadas já são comumente utilizadas em escala macro nas construções civis formadas por treliças metálicas, fazendo uso de barras e vigas em edificações e, até mesmo, em pontes assim apresentando uma boa resistência mecânica combinada com um mínimo de peso.

Estruturas civis baseadas em estruturas celulares: vista inferior de ponte metálica Santa Efigênia (São Paulo) e estrutura em madeira das Setas de Sevilla (Espanha)

Entretanto, o uso de estruturas celulares em menor tamanho era inexecutável já que os métodos de fabricação tradicionais como fundição ou injeção de plástico não conseguem fabricar peças com tal complexidade ou, caso conseguissem, as peças quase sempre apresentavam muitos defeitos de fabricação como porosidade, trincas, acúmulo de material, desalinhamento e, até mesmo, alterações microestruturais que acabavam diminuindo a resistência desses materiais como um todo.

Com os avanços tecnológicos na área da fabricação, foram surgindo novas alternativas para solucionar esses obstáculos. Em particular, as tecnologias de manufatura aditiva estão possibilitando a fabricação de componentes com estruturas celulares de grande complexidade geométrica e menor tamanho assim permitindo explorar o potencial destas estruturas em cada vez mais aplicações.

Dentre essas novas aplicações temos, por exemplo, estruturas celulares usadas como absorvedores de energia de impacto dentro de capacetes de proteção esportivos (substituindo tradicionais espumas poliméricas). As estruturas celulares possibilitam uma melhor circulação de ar trazendo maior conforto ao usuário, padrão celular com
densificação variável de forma a maximizar a capacidade de proteção, customização das dimensões do capacete de acordo ao usuário, etc. Há poucos anos, por exemplo, começou ser organizado anualmente em Estados Unidos um concurso de design de capacetes de futebol americano (NFL Helmet Challenge) explorando o uso de estruturas celulares (fabricados por manufatura aditiva) para maximizar o grau de proteção.

Capacetes de proteção para jogador de futebol americano e para ciclismo amador, ambos desenvolvidos empregando estruturas celulares de forma variável

Assim como estruturas celulares estão sendo usadas para trazer proteção, também estão sendo exploradas para trazer conforto e estilo. Atualmente, calçados estão sendo impressos num único material explorando designs muito ousados só possíveis graças à versatilidade das tecnologias de manufatura aditiva. Um dos principais atrativos de
fabricação de calçado num só material é seu grande potencial para facilitar sua reciclagem numa economia circular. Por outro lado, diversos tipos de padrão celular num único calçado permitem, em certas regiões do calçado, maximizar conforto, robustez mecânica, amortecimento, flexibilidade ou estética. Assim também empresas  tradicionais na indústria dos calçados (como Adidas, Nike, Reebok, etc.) e grandes marcas da indústria da moda estão lançando produtos parcialmente fabricados por manufatura aditiva visando explorar também as vantagens de estruturas celulares.

Diversos calçados com design inspirado em estruturas celulares

Num futuro próximo, pneus também irão explorar estruturas celulares no seu design. Empresas líderes na fabricação de pneus como Goodyear, Michelin e Bridgestone propõem para os próximos anos a utilização de pneus sem câmera com design baseado em estrutura celular e fabricados por manufatura aditiva. Além de trazer eventualmente maior segurança por não correr o risco de estourar no contato com objetos pontudos, estes tipos de pneus também seriam completamente recicláveis por serem fabricado usando um único material assim visando redução de resíduos.

Conceitos de pneus sem câmera baseados em estruturas celulares

As estruturas celulares também estão encontrando aplicação em trocadores de calor de alto desempenho para a indústria aeroespacial. Um trocador de calor é um equipamento onde dois fluidos com temperaturas diferentes trocam calor através de uma interface metálica e são usados geralmente para o resfriamento de motores de  combustão interna durante seu funcionamento. Tradicionalmente estes equipamentos são fabricados envolvendo inúmeros componentes e conexões. Trocadores de calor baseados em estruturas celulares são fabricados numa única peça por manufatura aditiva. As estruturas celulares permitem uma maior superfície de transferência de calor assim aumentando a capacidade do equipamento enquanto tamanho e peso são reduzidos.

Trocadores de calor que exploram estruturas celulares no seu conceito para aumentar capacidade

Por outro lado, as estruturas celulares também são amplamente usadas na indústria médica, particularmente na fabricação de implantes de titânio. Estes são fabricados por manufatura aditiva de forma customizada conforme requerido pelo paciente.

Implantes metálicos que usam estruturas celulares na superfície para promover osseointegração

A superfície dos implantes é projetada com estruturas celulares para promover o processo de osseointegração com o tecido ósseo, ou seja, promover a migração das células ósseas para a superfície do implante afirmando assim a união mecânica entre ambos. Por conta destas características, vários dos programas para design de estruturas celulares disponíveis no mercado são voltados para atender especificamente profissionais da área da saúde na criação de implantes.

Gostou do texto? Confira os próximos posts da série para saber mais sobre como a engenharia imita, cada vez mais, a natureza!