Grupo produz fibras ópticas por impressão 3D

Pesquisadores do Instituto de Física publicam primeiros trabalhos sobre o processo inédito

Acabam de ser publicados os dois primeiros trabalhos sobre a produção de fibras ópticas especiais por impressão 3D, processo inédito que vem ocupando o grupo do Laboratório de Fibras Especiais (LaFE), do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp, há cerca de dois anos. A primeira parte da pesquisa, demonstrando como se dá a impressão de fibras ópticas microestruturadas em 3D, foi publicada durante a Conferência Internacional de Microondas e Optoeletrônica da SBMO/IEEE, em dezembro de 2017. O desenvolvimento mais recente do grupo, com colaboradores da Universidade de Southampton (Inglaterra), em que a fibra produzida por manufatura aditiva guiava luz infravermelha em um núcleo oco (no ar), foi destaque no periódico Scientific Reports do grupo Nature, de maio deste ano.

O professor Cristiano Monteiro de Barros Cordeiro, coordenador do LaFE, informa que o foco do seu laboratório nos últimos 10 anos tem sido o desenvolvimento de fibras com novas funcionalidades e aplicações, incluindo fibras microestruturadas de sílica e de polímero, o que já mereceu reportagem (https://www.unicamp.br/unicamp/ju/noticias/2017/07/03/pesquisa-simplifica-obtencao-de-sensor-de-pressao-baseado-em-fibra-optica) do Jornal da Unicamp. “A fibra óptica convencional é completamente sólida, feita a partir de um bastão de sílica (vidro ultrapuro), tendo no centro uma região com dopagem química que aumenta a densidade óptica do material – a luz é guiada nesse núcleo. O LaFE é dedicado a fibras especiais de sílica e também de polímero (plástico) e 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”

Segundo Cordeiro, o processo de fabricação de qualquer fibra óptica – desde a convencional que está enterrada às margens da via Anhanguera e no leito dos oceanos ligando todos os continentes, até as fibras especiais – pede a construção de uma versão macroscópica, a chamada preforma. “Para a produção das preformas 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. No caso do polímero, material mais fácil de ser manipulado e perfurado, partimos de um tarugo sólido, que perfuramos formando uma estrutura de buracos; no centro há o que parece um falha, a ‘falta de um buraco’, ou seja, o núcleo da preforma. Em ambos os casos, fibras microestruturadas de sílica ou de polímero, vê-se um arranjo perfeito de buracos correndo paralelos ao eixo da fibra.” 

Depois de resumir o processo de fabricação de fibras microestruturadas de sílica (empilhamento de capilares) e de polímero (por furação direta), o docente da Unicamp aborda o surgimento bem recente do que considera a “revolução” das impressões em 3D e do processo de manufatura aditiva. “A ideia inicial era utilizar impressoras 3D para prototipagem rápida: produzir um protótipo de qualquer peça, sem precisar passar por todo o processo de fabricação. Agora mesmo, ali no canto do laboratório, estamos fazendo a prototipagem de um dispositivo que irá encapsular e proteger um sensor de fibra óptica baseado em Efeito Faraday e Redes de Bragg: é uma caixinha, cuja geometria testamos primeiramente em polímero, a baixíssimo custo e em apenas dez horas, para depois fabricá-la em metal.”

Foto: Perri
O professor Cristiano Monteiro de Barros Cordeiro (centro), entre Thiago Rosales Marques (à dir.) e Luiz Evaristo

Cristiano Cordeiro observa, entretanto, que a prototipagem rápida era o foco alguns anos atrás. “A área de impressão 3D já está mais madura e a ideia agora é utilizá-la para fabricar unidades finais do produto que se deseja. Existem impressoras 3D fabricando de alimentos a próteses humanas – é uma grande revolução, globalmente falando. Aqui no LaFE/IFGW estamos interessados, particularmente, em fabricar diretamente amostras com interesse em óptica e fotônica. Este estudo com as fibras ópticas foi iniciado com o Thiago Rosales Marques e agora tem sequência com o Luiz Evaristo, respectivamente ex-aluno e atual aluno do IFGW.”

Ele acrescenta que diversos outros estudos estão em andamento no grupo envolvendo fibras ópticas e impressão 3D. Um exemplo é a parceria com a Engenharia Civil da Unicamp, no estudo de sensores ópticos de tração mecânica utilizando fibras ópticas e manufatura aditiva. “Em outra direção, tenho um aluno da Engenharia Física pesquisando o encapsulamento de fibras afinadas com estruturas produzidas por impressão 3D para sensoriamento de gases”, acrescenta.


Núcleo de ar

De acordo com o coordenador do LaFE, a ideia de substituir os dois processos de fabricação de fibras ópticas – por empilhamento capilar e por furação direta – pela preforma em impressão 3D, é apresentada em alguns poucos e recentes trabalhos na literatura, mas as publicações do seu grupo são as primeiras descrevendo a fabricação propriamente dita, e sobretudo de fibras guiando em núcleo de ar – o que justificou a publicação pela Scientific Reports e motivou o professor a divulgar as pesquisas ao público em geral. “Não se trata mais de prototipagem de uma fibra para depois fabricá-la por outro processo, e sim de produzir a unidade final.”

Cordeiro afirma que a impressão 3D permite explorar geometrias que não seriam acessadas por técnicas tradicionais. “A técnica de empilhamento, apesar de poderosa, ainda é limitada, pois sempre resulta em estrutura de padrão triangular (como de duas laranjas lado a lado e uma terceira empilhada entre elas). A furação direta, no caso do polímero, oferece a liberdade de furar onde se quer, mas fica-se em geral limitado a buracos circulares. Com a impressão 3D, a imaginação é o limite, podendo-se produzir qualquer geometria, pois se está construindo a estrutura do zero.”

O professor mostra dois exemplos de estrutura 3D, uma preforma de fibra com perfil circular (de buracos) e outra com perfil quadrado, ambas com núcleo oco e dimensões externas da ordem de 60mm. “Há todo um processo de transformação desta preforma 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 mícrons (0,2mm), mas também surgiram inúmeros problemas nesse trabalho que vem desde 2015, como do superaquecimento que pode romper a estrutura.”

Fotos: Perri
Na sequência, a impressora vista de diferentes ângulos e a fibra óptica nela produzida

Um grande diferencial do trabalho, publicado na Scientific Reports e apontado pelo pesquisador, está na produção de uma fibra de núcleo oco de PETG (polietileno tereftalato glicol) guiando luz no infravermelho médio no ar – o direcionamento e o aprisionamento da luz no núcleo de ar são fornecidos pela geometria da fibra. “Fibras ópticas poliméricas são, em geral, fabricadas de polimetilmetacrilato (PMMA). Este polímero, entretanto, não é disponível comercialmente para impressão 3D. Testamos alguns materiais, otimizamos o processo de fabricação e decidimos pelo PETG. “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 mícrons (infravermelho médio)”.

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. Cristiano Cordeiro diz que o trabalho do seu grupo continua, explorando novas geometrias que levem a fibras com funcionalidades diferentes e inacessíveis com a geometria tradicional. “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.”

O grupo do LaFE também tem explorado recentemente, em colaboração com pesquisadores do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) em São José dos Campos, o uso de manufatura aditiva para produzir diretamente a fibra final (e não a preforma), neste caso para guiamento na faixa do THz, radiação com comprimento de onda que pode chegar até três milímetros.

Reprodução
(a) Preforma inicial impressa em 3D e (b) e depois com 12mm de espessura


Publicações sobre o tema:

https://www.nature.com/articles/s41598-018-26561-8

https://ieeexplore.ieee.org/document/8121093/

 http://www.mdpi.com/2079-6439/6/3/43

 

 

Imagem de capa JU-online

Audiodescrição: Em laboratório com iluminação amarelada, imagem de baixo para cima e de busto, homem em pé, à direita na imagem, fala enquanto aponta com o dedo indicador da mão direita para monitor de lcd com cerca de trinta polegadas que exibe duas imagens circulares, uma ao lado da outra, sendo uma delas em um gráfico. Ele usa óculos e veste camisa polo verde. Imagem 1 de 1.