Unicamp inova com fibras ópticas por impressão 3D

Com informações da Unicamp 

A pré-forma é impressa e depois esticada a quente até formar a fibra. [Imagem: Wanvisa Talataisong et al. - 10.1038/s41598-018-26561-8]

Fibras ópticas plásticas

Depois de dois anos de aprimoramento das técnicas, um grupo do Instituto de Física da Unicamp conseguiu produzir fibras ópticas plásticas usando impressão 3D.

"Não se trata mais de prototipagem de uma fibra para depois fabricá-la por outro processo, e sim de produzir a unidade final. Com a impressão 3D, a imaginação é o limite, podendo-se produzir qualquer geometria, pois se está construindo a estrutura [a partir] do zero," disse o professor Cristiano Cordeiro.

As fibras ópticas convencionais são inteiramente sólidas, fabricadas a partir de um bastão de sílica - óxido de silício, um vidro ultrapuro - tendo no centro uma região com inserção de elementos químicos específicos - um processo chamado dopagem - que aumenta a densidade óptica do material. A luz viaja nesse núcleo.

Mas a equipe da Unicamp trabalha com fibras especiais, chamadas microestruturadas, que são feitas de plástico, e não de vidro. A fibra produzida por manufatura aditiva guia a luz infravermelha em um núcleo oco, ou seja, a luz viaja no ar no interior da fibra. Essas fibras ópticas poliméricas são usadas principalmente como sensores ultrarrápidos e na chamada eletrônica de vestir.

"O que desenvolvemos são fibras microestruturadas, ou seja, que possuem uma estrutura em seu interior: cortando-as transversalmente, vemos um arranjo de buracos que acompanham todo o comprimento da fibra. Esta estrutura tem intensa influência nas propriedades ópticas e mecânicas da fibra," disse Cristiano.

Detalhe de uma fibra óptica plástica microestruturada. [Imagem: IFGW-Unicamp]

Fibras ópticas por manufatura aditiva

O processo de fabricação de qualquer fibra óptica exige a construção de uma versão macroscópica, a chamada pré-forma, que depois é aquecida e esticada para formar os fios.

"Para a produção das pré-formas de fibras microestruturadas deve-se empilhar manualmente dezenas ou centenas de canudos (capilares) de sílica, cada um com cerca de 1 milímetro de diâmetro, formando uma complexa estrutura que, na torre de fabricação de fibras ópticas, é aquecida e esticada em vários estágios até se chegar à fibra final," explica Cristiano.

As pré-formas estão agora sendo impressas automaticamente e com maior precisão. E há um ganho adicional: A impressão 3D permite explorar geometrias para as fibras que não são possíveis com as técnicas tradicionais.

"Há todo um processo de transformação desta pré-forma que, simplificadamente, consiste em aquecer a estrutura e puxá-la, controlando todas as velocidades, temperaturas e aplicações de vácuo e pressão. Chegamos a produzir uma fibra final com o diâmetro de 200 micrômetros (0,2mm)," conta Cristiano, acrescentando que isso envolveu superar vários problemas técnicos, principalmente o superaquecimento, que fazia a fibra se romper.

A impressão 3D permite trabalhar com múltiplas geometrias. [Imagem: Alice L. S. Cruz et al. - 10.3390/fib6030043]

Fibras funcionalizadas

"O resultado mais importante é o guiamento da luz no ar, o que não se faz normalmente em fibra convencional, e, além disso, com fibra impressa em 3D e numa região não convencional do espectro - de 3,5 a 5 micrômetros (infravermelho médio)," acrescentou o pesquisador.

As fibras ópticas do infravermelho médio há muito tempo atraem grande interesse devido à sua ampla gama de aplicações, como em segurança, biologia e sensoriamento químico.

"Uma direção que vamos começar a explorar brevemente, é a de produzir o filamento já funcionalizado, o que significa que não estaremos imprimindo simplesmente o plástico ou o vidro, mas contendo, por exemplo, nanopartículas metálicas, dando uma função diferenciada à fibra óptica," finalizou Cristiano.

Bibliografia:

Mid-IR Hollow-core microstructured fiber drawn from a 3D printed PETG preform
Wanvisa Talataisong, Rand Ismaeel, Thiago H. R. Marques, Seyedmohammad Abokhamis Mousavi, Martynas Beresna, M. A. Gouveia, Seyed Reza Sandoghchi, Timothy Lee, Cristiano M. B. Cordeiro, Gilberto Brambilla
Nature Scientific Reports
Vol.: 8, Article number: 8113
DOI: 10.1038/s41598-018-26561-8

3D Printed Hollow-Core Terahertz Fibers
Alice L. S. Cruz, Cristiano M. B. Cordeiro, Marcos A. R. Franco
Fibers
Vol.: 6(3), 43
DOI: 10.3390/fib6030043