Publicado em março 5, 2024março 6, 2024 in Engenharia, English, Hardware, Impressão 3D, tecnologia, Vox Leone

3D Printing: I’m Making a 500°C Ceramic Hot End

How I intend to steal the Fire of the Gods and give it to the geeks.

Hotend TF-01 Linear comparado ao hotend standard Sethi 3D. — The unfinished prototype of the first model to be tested, the upcoming TF-01 Linear (the white piece), seen here alongside the standard metallic hotend from Sethi 3D, for dimension comparison. Image: Triforma CC-BY-SA-NC

Notice: This is a Portuguese language blog extraordinarily featuring an article in English.

As a 3D printing entrepreneur and enthusiast, I made the decision last year to dedicate a greater share of my time towards this technology, whose best days I believe are still ahead. My goal is to use 3D printing not just for creating prototypes, but for producing final products — like parts and components — for industrial and consumer use.

My aim is to utilize additive manufacturing to work with advanced materials such as nylon and carbon fiber. Achieving high temperatures above 300°C/573°F is crucial for this. Does this ambition make sense? With the increasing popularity and accessibility of new industrial-grade materials like PC, TPI, and PEEK, which are categorized as “engineering superplastics,” the demand for high-temperature capabilities is certainly on the rise. Therefore, I strongly believe that pursuing this direction does make sense.

However, despite the variety of brands, the crucial item for FFF 3D printing, the so-called hotend remains, despite advances, quite limited in its presentation and capabilities. The part consists of a chamber that is heated by a heating element, which is controlled in a closed loop using a thermistor for temperature feedback. The lower part of the set has a removable nozzle that deposits the material on the 3D printer’s printing plate. See Anatomy of a Hot End.

The hotend is typically constructed from steel and relies on Teflon linings or titanium+copper heatbreaks for passive heat control. It is essential for the filament to stay relatively cool until it reaches the heating block, preventing the heat from rising through the hotend body and excessively softening the filament. This phenomenon, known as heat creep, is addressed through the use of heat barriers.

Hot Ends

The standard hotend installed in my Sethi 3D FFF printer– a Brazilian 3D printer manufacturer — is an excellent product. It operates within the lower performance range, constructed from steel and Teflon-coated. This well-crafted and honest product fulfills its intended purposes exceptionally well, especially for printing with PLA and ABS filaments. However, like all other hotends in its category, its essential component is the internal Teflon lining through which the filament runs. Unfortunately, this Teflon core starts to deteriorate above the 240°C/470°F mark.

Impressora Sethi 3D. — Our beautified Sethi S3 on which the project was developed. From factory it has a more conservative look; a closed box. The addition of a transparent panel enhances print control and allows for greater flexibility in media production – Image: CC-BY-SA-NC

The other available choices consist of hotends crafted entirely from metal, also referred to as “all-metal” in the industry. These hotends employ a bi-metallic core, typically composed of titanium and copper, to act as a thermal barrier between the heating block and the heat sink. As a result, they are able to withstand higher temperatures and facilitate the printing of filaments designed for more sophisticated applications. Despite this, the temperatures they can achieve are still comparable to those of standard hotends such as the one manufactured by Sethi, and their primary purpose is to prevent the premature melting of the filament, the previously cited heat creep.

It’s somewhat disappointing to me to see that in 2024, the best the global industry can come up with is using titanium, a metal with a thermal conductivity index of 25 W/mK, as a thermal barrier. Surely, there has to be a better solution.

In practical terms, both hobbyist makers and occasional tech enthusiasts typically encounter limitations around the 350°C/660°F mark. Beyond this point, a shift to a different level of expertise may be necessary. However, is it conceivable to make temperatures exceeding 500°C/930°F, which are currently accessible only to high-level industry players, attainable for the average individual?

Rare Earths Everywhere

Over the past year, I’ve immersed myself in ceramic literature and marveled at the exquisite items crafted from a variety of transition metals and rare earth oxides. As I pondered the constrained selection of hotend options, I started to perceive a potential opportunity worth exploring.

Isn’t a hotend essentially just a glorified tube? If the folks at Sethi managed to create one using their expertise in metals(*), then surely someone like me, with newfound knowledge of advanced ceramics, could fashion a similar device. Why not harness these incredible materials for their inherent purpose, like regulating the heat of an extruder’s hot tip? How has this possibility been overlooked by the industry?

Ideas started pouring in from some hidden corner of my mind. I began visualizing a zirconia-white object. I called upon my expertise in CAD [OpenSCAD, actually] and settled in front of the workstation, accompanied by a monitor displaying the Periodic Table, to sketch my concept of a ceramic hotend suitable for the Sethi S3 3D printer – my own.

A few sleepless nights later, I had the blueprint of my petite yet fearless creation, boasting unconventional shapes for a hotend, a departure from the typical appearance of a conventional heatsink with its stacked metallic discs. With ceramics, heat conduction is significantly reduced, eliminating the need for a large heat dissipation area and offering newfound design flexibility. The material’s texture and color options — perhaps a pink hue for March? — introduce yet another layer of aesthetic appeal. Ultimately, the hotend can emerge as a beautiful piece.

It quickly became clear to me, within just a few days, why there were scarce offerings of ceramic objects in the market, apart from toiletries. This insight also sheds light on the intriguing and highly pertinent design of the initial hotend envisioned by Sethi in 2013. Traditional ceramic shaping techniques simply do not lend themselves to elaborate stylistic innovations or intricate anatomical details.

Until recently, advanced ceramists lacked the technological means to depart entirely from tradition, therefore they were limited to producing basic objects like rings and tubes using methods such as slip casting, pressurized injection, dry pressure molding, and other large-scale industrial techniques. When it comes to constructing a small component for a precision instrument like a 3D printer, ceramic doesn’t appear to be a practical choice.

Sol-gel Comes for the Rescue

Sol-Gel Chemistry, a process that I had studied extensively in the months prior to my insight and that I knew could potentially solve the challenge of working with ceramics in fine mechanics; enabling the creation of ceramic objects with significant structural complexity.

In simple terms, sol-gel chemistry involves the preparation of inorganic polymers or ceramics from a solution by initially converting liquid precursors into a ‘sol’ [derived from SOLution], and subsequently into a network structure referred to as a ‘gel’.

The formation of a sol occurs through the hydrolysis/condensation of particles, and can be broadly defined as a colloidal suspension, covering a wide range of systems. According to the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), a colloidal system is a dispersion of one phase into another where, “the molecules or polymolecular particles dispersed in a medium have, at least in one direction, a dimension between 1 nm and 1 μm”. Well-known examples of colloids include milk and mayonnaise.

Extensive scientific literature has explored the sol-gel process and its applications in advanced ceramics – for further information, please refer to the recommended bibliography. If you recall the ceramic covering bricks of the space shuttle, they are produced using processes similar to these.

Gel Casting

Ceramic shaping techniques are categorized as either dry or wet forming processes. Gel molding, also known as gel casting, falls under the wet category. The wet forming technology we employ, developed by Oak Ridge National Laboratory (ORNL), is capable of producing high-density ceramics with complex shapes, approaching the final product’s shape [‘near net shape’]. This method offers several advantages, including a short molding time, no material restrictions for the mold, high resistance while unsintered (referred to as “green”), and the ability to apply sections of varying thickness.

*Molds used for developing the prototypes – Image: Triforma – CC-BY-SA-NC*

It’s important to note that the gel molding method allows for the use of virtually any material to shape the ceramic masses, opening up a new and extensive opportunity for the utilization of 3D printers. No longer limited to prototyping, they become active and highly productive assets for manufacturing advanced ceramics. This is due to their capacity to directly and affordably produce complex molds on-site.

This application encompasses FFF printers as well. In gel casting, the distinct layered marks of the molded impression are faithfully transferred to the molded parts. Personally, I plan to incorporate this ‘imperfection’ as the visual identity of the product, revealing its origin. Others may understandably prefer flawlessly precise and uniform molds, whether they are printed in SLA, SLS, or machined in stainless steel.

Overall, leveraging gel molding represents a significant leap in productivity and profitability for any FFF printer, as an ABS mold that it takes 2 hours to deposit can be used to replicate thousands of high-performance ceramic parts in a short timeframe.

This Project

In our ongoing process, we begin by preparing water-based gels. This involves dispersing ceramic powder (including zirconia and yttria) in water. Following this, we introduce gelling agents, such as monomers and initiators, and carefully mix them to create a colloidal suspension, as mentioned earlier. This mixture is then poured into an ABS plastic mold, which has been created using 3D printing, and left to dry, forming a green body. After this stage, the green body is removed from the mold, undergoes additional drying, and is subject to high temperature sintering. Once sintered, the material goes through a final treatment involving machining and partial enameling.

Gelcasting. — *The solution is shaped within the plastic molds. The mold in the background is already closed, undergoing the gel curing/drying process. – Image: Triforma* *– CC-BY-SA-NC*

Until recently, acrylamide (AM) was commonly used as a gelling agent. However, due to the neurotoxicity of AM, gel molding was unable to be employed on a large scale in the industry. This hampered the development of this technique and is also, consequently, partly responsible for the relative scarcity of complex ceramic objects on the market. In this project, we use a gel shaping process based on natural polymers like agarose, which removes impediments to taking advantage of the technology.

It’s quite poetic that a technology as ancient as ceramics can still be the most advanced in terms of materials. Although I may make it sound simple, the effort required months of theoretical and practical learning.

In the end, we have an innovative product, a small thermal element weighing just 10 grams. Its seemingly delicate structure is capable of withstanding temperatures above 2300°C/4300°F and transmitting just 1.7 W/mK of the heat it encounters. For comparison, titanium can withstand temperatures of this magnitude but has a much higher thermal conductivity of 25 W/mK, while Teflon is a great insulator, transmitting only 0.2 W/mK of heat, but it cannot withstand temperatures above a mere 240°C/470°F. The low thermal conductivity of the zirconia-yttrium system theoretically can mitigate heat creep and should make the hotend capable of printing any type of filament.

As additional advantages, the process uses less energy, generates no noise at any stage of production, and does not produce significant effluents. And did I mention that the unit weighs just 10 grams?

For the second phase of the project, it’s worth incorporating a zirconia-magnesia heatbreak into the ceramic structure to further reinforce the set. We will be able to reach as far as the hot block can handle. I read about a Japanese group working on a hotend suitable for ~850°C/~1600°F. Extruding a copper wire with my Sethi desktop printer now seems like a completely achievable goal.

Um heatbreak cerâmico junto ao seu molde. — *A ceramic heatbreak — and its small mold — designed to withstand temperatures of 1600°F. Image: Triforma – CC-BY-SA-NC*

But this is where the problems begin.

Tests

At this moment, I find myself surrounded by recently acquired laboratory equipment such as beakers, Erlenmeyer flasks, scales, a magnetic stirrer, and a variety of substances. What was intended to be the starting point of a small-scale industrial endeavor might, depending on the observer, resemble a room within a pharmaceutical facility or a rapid analysis laboratory at customs. I am on the verge of commencing a pivotal experiment: ensuring that the process outlined above consistently functions for mass production.

In addition to the formal process and the few prototypes obtained with individual molds, it is imperative to conduct a substantial number of tests, including those related to chemical composition/formulation and destructive mechanical, thermal, and performance assessments.

If we succeed in producing a reasonable quantity at a reasonably low cost, which I firmly believe is entirely achievable, I intend to make the product available for direct sale on the Triforma website – launching soon. The goal is to replicate the business model of Slice Engineering, with OpenSource licensing. I am determined to have a minimally viable product by mid-April and will be working tirelessly towards this objective.

I will share the outcomes of this project here. Stay tuned for updates.

(*) While I have made several references to Sethi 3D in this text, I want to clarify that my only association with this esteemed company from Campinas, Brazil, is that of a [satisfied] customer. However, it goes without saying that I would be thrilled to have some connections. I hold great respect for all industrial initiatives, particularly those related to advanced technology and those situated in Brazil, which elicit not only respect but also profound admiration.

Recommended Reading:

Sol-gel

https://en.wikipedia.org/wiki/Sol-gel_process

Sol-Gel Chemistry and Methods

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Gel Casting of Ceramic Bodies

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/9781118176665.ch6

The evolution of ‘sol–gel’ chemistry as a technique for materials synthesis

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/mh/c5mh00260e

Thermal Properties of Ceramics

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A review on aqueous gelcasting: A versatile and low-toxic technique to shape ceramics

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0272884218334606

Publicado em fevereiro 23, 2024março 21, 2024 in Engenharia, Hardware, Impressão 3D, tecnologia, Vox Leone

Impressão 3D: Um Hotend para 500 graus

Como pretendo roubar o Fogo dos Deuses para dar aos geeks.

Não falo muito sobre isso, mas eu trabalho também com impressão 3D. Em algum momento do ano passado eu decidi dedicar uma fatia maior do meu tempo a essa tecnologia cujos melhores dias eu acredito ainda estarem à frente. Eu quero poder imprimir materiais estruturais para oferecer, ao invés de protótipos, produtos finais – como peças e componentes – para indústria e consumo.

Eu quero poder trabalhar com manufatura aditiva de nylon, fibra de carbono, cerâmica e outros materiais avançados. Para isso eu preciso de altas temperaturas — acima de 300°C. Faz sentido querer tanto? Bem, novos materiais de nível industrial conhecidos como “superplásticos de engenharia”, como PC, TPI e PEEK, estão se tornando mais populares e acessíveis, e a capacidade de trabalhar com altas temperaturas será uma exigência crescente.

Contudo, apesar da variedade de marcas e formatos, o ítem crucial para a impressão 3D FDM [Deposição de Filamento], o chamado hotend, ou ‘ponta quente’ em português, continua, apesar dos avanços, bastante limitado em sua apresentação e capacidades. A peça consiste em uma câmara que é aquecida por um elemento de aquecimento, o bloco, que é controlado em circuito fechado usando um termistor para feedback de temperatura. A parte inferior do conjunto possui um bico removível que deposita o material na placa de impressão da impressora 3D.

Invariavelmente ele é feito de aço, e o controle — passivo — de calor, algo importantíssimo, é feito por peças de teflon, ou titânio+cobre, na maioria dos casos. É crucial que o filamento se mantenha relativamente frio até a entrada no bloco de aquecimento. O calor do bloco não pode subir pelo corpo do hotend e amolecer demasiadamente o filamento. Isso é chamado de heat creep [se eu fosse traduzir eu diria “insinuação do calor”], e é evitado com barreiras de calor.

Pontas quentes

O hotend padrão da Sethi 3D, de Campinas, fabricante brasileira de impressoras3D, que equipa minha impressora de filamento, é um grande produto. É um hotend que habita a região mais baixa da curva de performance, feito de aço e revestido com teflon. É um produto honesto e muito bem construído, completemente satisfatório para os casos de uso que ele atende, notadamente a impressão usando filamentos PLA e ABS. Mas esse hotend standard [e todos os outros de sua classe] tem como ítem fundamental um revestimento interno de teflon por onde passa o filamento. Esse core de teflon começa a perder sua integridade acima dos 240°.

Restam como opção os hotends feitos inteiramente de metal [all-metal, no jargão em inglês]. Esses hotends usam um núcleo bi-metálico, normalmente titânio e cobre, como barreira de calor entre o bloco de aquecimento e o dissipador de calor [heat sink]. Permitem então temperaturas mais altas e são capazes de imprimir filamentos destinados a usos mais sofisticados. Mesmo assim as temperaturas alcançadas são ainda da mesma ordem dos hotends standards como o da Sethi, e seu desempenho visa apenas evitar a fusão precoce do filamento [heat creep].

Abro aqui um parêntese para dizer que, de alguma forma, é um tanto decepcionante para mim ver que o melhor que a indústria mundial pode fazer em 2024 é empregar titânio, um metal com índice de condutividade térmica de 25 W/mK, como barreira térmica. Tem que haver coisa melhor.

Em suma, na prática, o maker e o ocasional geek encontram seu limite por volta dos 350°. Acima disso talvez seja preciso mudar o status para CNPJ. Mas, e se fosse possível trazer ao alcance dos mortais as temperaturas olímpicas além dos 500 graus, disponíveis aos deuses do capital?

Terra por toda parte

No último ano eu li muito sobre cerâmica e me deleitei com a visão dos belos objetos e peças que hoje são fabricadas com os diversos metais de transição e óxidos de terras raras. Ao considerar as estreitas opções de hotends metálicos disponíveis comecei a perceber que poderia haver aí uma oportunidade a explorar.

Um hotend é apenas um tubo glorificado, certo? Se o pessoal da Sethi fabricou um usando os seus conhecimentos de metais(*), um fuçador como eu poderia construir um usando seus – recém adquiridos – conhecimentos de cerâmica avançada, certo? Por que não usar essas terras maravilhosas para um fim ao qual elas são unicamente vocacionadas, como o controle térmico da ponta quente de um extrusor? Como isso foi ignorado pela indústria?

Ideias começaram a jorrar de algum canto da minha mente. Tomado por um furor criativo, comecei a ter flashes de um objeto branco-zirconia girando no ar, ganhando forma. Em um transe conjurei os meus conhecimentos de CAD [OpenSCAD, na verdade], e me acomodei diante da estação de trabalho, tendo à côté um monitor com a Tabela Periódica, para desenhar a minha visão do que seria um hotend de cerâmica, compatível com uma impressora Sethi – a minha.

Muitas horas insones depois eu tinha o esboço de meu pequeno mas intrépido objeto, de formas inusuais para um hotend, bastante apartado da aparência do heatsink convencional com seus discos metálicos empilhados. A condução do calor é muito menor na cerâmica, tornando dispensável uma grande área de dissipação de calor, o que permite alguma liberdade no desenho. As opções de textura e cor do material [que tal um cor-de-rosa para março?] adicionam ainda outra dimensão estética. O hotend pode ser uma peça bonita, afinal.

Não demorou muito – apenas alguns dias – para eu perceber a razão de não haver objetos de cerâmica amplamente disponíveis no mercado, além de peças de toillete. Provavelmente também explica o – interessante e bem a propósito deste post – formato do hotend primevo pensado pela Sethi em 2013 . Os métodos conformação cerâmica tradicionais não permitem grandes devaneios estilísticos e/ou intrincados detalhes anatômicos.

Sem meios tecnológicos para se desvencilhar totalmente da tradição, até bem pouco tempo atrás os ceramistas, mesmo os avançados, se restringiam a objetos simples como anéis e tubos, fabricados por metodos como slip cast, injeção pressurizada, moldagem a seco sob pressão e outros métodos industriais de escala. Para construir uma pequena peça para um instrumento de precisão como uma impressora 3D, cerâmica não parece mesmo ser uma escolha razoável.

Geleia de cerâmica

Entra o sol-gel, um processo que eu havia estudado bastante nos meses anteriores ao meu insight e que eu sabia ser uma possível resposta ao problema de se fazer mecânica fina com cerâmica; de criar objetos cerâmicos com grande complexidade estrutural.

A química sol-gel é a preparação de polímeros inorgânicos ou cerâmicas a partir de uma solução, através da transformação de precursores líquidos, primeiro em um ‘sol’ [de SOLução] e, finalmente, em uma estrutura de rede chamada ‘gel’.

A formação de um sol ocorre através de hidrólise/condensação das partículas, mas um sol pode ser definido mais geralmente como uma suspensão coloidal, o que abrange uma ampla gama de sistemas. A União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) define um sistema coloidal como uma dispersão de uma fase em outra onde, “as moléculas ou partículas polimoleculares dispersas em um meio têm, pelo menos em uma direção, uma dimensão entre 1 nm e 1 μm”. O leite e a maionese são exemplos de colóides.

Inúmeros trabalhos científicos têm sido escritos sobre o processo sol-gel em geral e a sua aplicação no campo das cerâmicas avançadas – ver bibliografia recomendada. Se você se lembra dos tijolos de revestimento do ônibus espacial, eles são fabricados por processos análogos a este.

Moldagem de Gel – gel casting

Os métodos de conformação cerâmica são classificados em processos de conformação a seco ou úmidos. A moldagem em gel que usamos é uma tecnologia de conformação úmida desenvolvida pelo Oak Ridge National Laboratory (ORNL), um método capaz de produzir cerâmicas de alta densidade com formas complexas, near net shape [fundição próxima da forma final]. Tem as vantagens de ter um tempo de moldagem curto, sem restrições quanto ao material de molde, uma alta resistência enquanto não sinterizado [“em verde”] e a capacidade de se aplicar seções de espessura variada.

Moldes unitários de plástico — *Moldes unitários em que os protótipos foram desenvolvidos – Imagem: Triforma – CC-BY-SA-NC*

Note que o método de moldagem de gel permite o uso de praticamente qualquer material para a conformação das massas cerâmicas. Isso abre uma nova e ampla avenida para a utilização de impressoras 3D não mais apenas como prototipadoras, mas como insumos ativos e muito produtivos para a manufatura de cerâmica avançada, por sua capacidade de produzir diretamente, in situ, moldes complexos de forma barata.

Isso inclui totalmente as impressoras FDM. No gelcasting, as características marcas estratificadas da impressão do molde são transferidas fielmente para as peças moldadas. Eu pretendo incorporar isso como identidade visual das peças, revelando sua origem. Outros preferirão, compreensivelmente, moldes absolutamente perfeitos e regulares impressos em SLA ou ainda usinados em aço inox.

De qualquer forma, há um enorme salto de produtividade/lucratividade para qualquer impressora FDM quando um molde de ABS que ela leva 2 horas para depositar passa a servir para replicar milhares de peças cerâmicas de alta performance em curto tempo.

Este projeto

No processo que estamos implementando, preparamos géis de base aquosa, em que o pó cerâmico [zirconia + ítrio, entre outros] é primeiro disperso em água. Em seguida, agentes gelificantes – monômero(s) e iniciador(es) – são adicionados e misturados para formar uma suspensão coloidal, como descrito anteriormente, que é depois despejada no molde de plástico ABS – impresso em 3D – e deixada para secar e formar um corpo verde. Após essa etapa, o corpo verde é desmoldado, submetido a uma secagem adicional e à sinterização a alta temperatura. Depois de sinterizado, o material passa pelo tratamento final em que é usinado e esmaltado.

Gelcasting propriamente dito. — *Conformação da solução nos moldes plásticos. O molde em segundo plano já está fechado em processo de cura do gel/secagem – Imagem: Triforma* *– CC-BY-SA-NC*

Até pouco tempo atrás a acrilamida (AM) era comumente usada como agente gelificante. No entanto, devido à neurotoxicidade da AM a moldagem em gel não teve como ser aproveitada em larga escala na indústria. Isso prejudicou o desenvolvimento dessa técnica e é também, em parte, responsável pela relativa escassez de objetos complexos feitos em cerâmica no mercado. O processo de modagem de gel que utilizamos neste projeto é baseado em polímeros naturais, como a agarose, o que remove os impedimentos para o aproveitamento da tecnologia.

Chega a ser poético que uma tecnologia tão antiga como a cerâmica possa ainda ser o que há de mais avançado que existe em termos de materiais. Faço parecer fácil, mas o esforço demandou meses de aprendizado teórico e prático.

No final, tenho um produto que penso ser inovador, um pequeno elemento térmico com apenas 10 g, cuja aparentemente frágil estrutura é capaz de suportar temperaturas acima de 2300° e transmitir apenas 1,7 W/mK do calor gerado. Para comparação, o titânio suporta temperaturas dessa ordem, mas tem uma condutividade térmica bem mais alta de 25 W/mK; já o teflon é um ótimo isolante, transmitindo apenas 0,2 W/mK do calor, mas não suporta temperaturas acima de meros 240°. Portanto, a baixa condutividade térmica do sistema zirconia-itrio em tese é capaz de mitigar o heat creep, e deve tornar o hotend capaz de imprimir qualquer tipo de filamento.

Como vantagens adicionais, o processo usa menos energia, não gera ruído em nenhuma fase da produção e não deixa efluentes significativos. E eu já disse que a unidade pesa apenas 10 gramas?

Para a segunda fase do projeto vale a pena incorporar um heatbreak de zirconia-magnésia à estrutura de cerâmica para reforçar ainda mais o conjunto. Poderemos chegar até onde o bloco quente aguentar. Li sobre um grupo japonês que trabalha um hotend para 850 graus. Extrusar um fio de cobre em minha impressora Sethi desktop parece um objetivo plenamente factível.

Mas é agora que os problemas começam.

Testes

No momento em que escrevo estou rodeado de material de laboratório recém adquirido [beakers, erlenmeyers, provetas, balança, agitador magnético, substâncias diversas…]. O que é para ser o germe de uma empreitada industrial está a parecer, dependendo do espectador, uma sala de alguma pharma, ou um laboratório de análises rápidas da Aduana. Estou prestes a começar este experimento divisor de águas: fazer o processo descrito acima funcionar de forma consistente para a produção em série.

Preciso agora ir além do processo formal descrito e dos poucos protótipos obtidos com moldes unitários. É necessaŕio fazer também um grande número de testes de composição química, formulação, além de testes mecânicos destrutivos e de performance.

Se eu for bem sucedido e conseguir produzir em quantidade razoável a custo razoavelmente baixo, o que acredito ser totalmente possível, vou disponibilizar o produto sob venda direta no site de minha nova iniciativa empreendedora, a Triforma – em breve no ar. Penso reproduzir o modelo de negócio da Slice Engineering, licenciando OpenSource. Quero muito de ter um produto minimamente viável em meados de abril. Vou trabalhar para isso.

Divulgarei por aqui os resultados deste projeto. Mantenha contato visual.

(*) Citei a Sethi 3D um par de vezes neste texto. Declaro não ter nenhum vínculo com essa ilustre empresa campineira além do de cliente [satisfeito]. Mas claro que eu gostaria de ter. Respeito toda iniciativa industrial, principalmente se a) ligada à alta tecnologia; b) localizada no Brasil, caso em que o respeito se transforma em descombobulada admiração. 🙂

Leituras recomendadas:

Sol-gel

https://pt.wikipedia.org/wiki/Sol-gel

Formulação de Materiais Cerâmicos

Link para o PDF

Sol-Gel Chemistry and Methods

Link para o PDF

Gel Casting of Ceramic Bodies

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/9781118176665.ch6

The evolution of ‘sol–gel’ chemistry as a technique for materials synthesis

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/mh/c5mh00260e

Thermal Properties of Ceramics

Link para o PDF

A review on aqueous gelcasting: A versatile and low-toxic technique to shape ceramics

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0272884218334606

Publicado em março 25, 2022março 25, 2022 in Hardware, Segurança, tecnologia

As Implicações da Escassez de Chips para a Segurança Digital Global

Uma nova preocupação no campo da segurança está surgindo e talvez você se interesse em ficar de olho no clima. Não é segredo que há uma escassez global de chips de silício, e onde há escassez, há oportunidades para bandidos e afins.

Como já mencionei no blog [aqui e aqui], uma cascata de eventos fez com que a fabricação de chips diminuísse de ritmo nos últimos anos. Em algumas áreas, como componentes analógicos para digitais, a quebra no fornecimento foi quase total para alguns dispositivos.

Mas para além dos dispositivos de entrada/saída existem outros dispositivos, como “System on a Chip” (SoC) e “Micro Controller Units” (MCU). Estes não usam os métodos mais modernos de impressão em escala nanométrica e tendem a ser feitos em fábricas de segunda ou terceira linha, onde as margens de lucro são muito baixas.

Bem, esta notícia, que foi reportada no ano passado – e amplamente ignorada, parece estar ficando mais insistente na grande mídia [The Register]. A consequência desse estado de coisas, que recebeu apenas uma menção passageira na parte inferior do artigo do The Register, é que há um buraco se abrindo na segurança das linhas de suprimento globais.

No início a escassez impulsionou os prazos de entrega de algumas semanas para alguns meses. Agora chegam a ultrapassar um ano. Alguns fabricantes estão cancelando novos projetos de design e eliminando recursos em projetos existentes, pois precisam refazer os projetos para aproveitar as peças inferiores ainda disponíveis.

Como em toda escassez, a manipulação de preços já começou, com alguns produtos agora custando cinco a dez vezes o preço que tinham há apenas um ano ou mais. O que significa que a oportunidade de lucrar de forma ilícita está de volta (não que algum dia tenha desaparecido). Os mais experientes talvez se lembrem do choque da mudança do padrão RS232 para USB “FTD-Chip”, quando a FTD mudou o driver do chip fornecido pela Microsoft e, da noite para o dia, centenas de milhares, senão milhões de mouses e produtos semelhantes para PC pararam de funcionar.

O motivo foi a “Grey Supply Line”, a infame “linha cinza” de imitações paralelas dos chips FTD, na época usados em milhões de PCs. O que estava acontecendo era que as peças não-FTD, muitas delas não-funcionais, foram feitas para parecer peças FTD reais e vendidas como “estoque recuperado” e similares, entrando, assim, na cadeia de suprimentos.

Se a história é um guia, devido à escassez e ao aumento dos preços as Grey Supply Lines entrarão em operação a qualquer momento novamente. Enquanto imitações são um problema por si só, pois na maioria das vezes são abaixo do padrão, elas também trazem um novo potencial vetor de ameaças.

Armas Cibernéticas do Mercado Cinza

Muitos chips Grey Supply passam pela China de uma maneira ou de outra, e provavelmente não passou despercebido pelas pessoas atentas que o barulho de sabres e tambores nos mares do sul da China fica cada dia pior.

Essa é uma das razões pelas quais o governo dos EUA vem pressionando o governo e os fabricantes de chips de alta qualidade de Taiwan para mudar as fábricas para os EUA (algo que os taiwaneses estão muito relutantes em fazer por várias razões óbvias). Bem, embora os chineses continentais não tenham fábricas de última geração, eles têm muita capacidade de segunda e terceira linhas. Assim, surge a oportunidade de injetar quantidades consideráveis de Grey Supply em produtos fabricados e vendidos em todo o mundo.

Mais cedo ou mais tarde, algumas peças Grey Supply serão consideradas deficientes ou abaixo do padrão, o que é de se esperar, como se viu no incidente do chip FTD. Mas a presente situação também abre a possibilidade de algo mais insidioso: a oportunidade de se incorporar armas cibernéticas nos chips Grey Supply. Esses chips não seriam totalmente abaixo do padrão, como de costume, mas teriam “um certo conteúdo extra embutido” – o qual seria como um mecanismo de disparo à espera do acionamento

Embora contaminação por malware possa ser realmente desagradável de se lidar, ela afeta as coisas principalmente no nível do software, onde fazer uma simples reinstalação completa a partir dos backups permite que você recupere a funcionalidade de seu sistema em um tempo relativamente curto. Agora considere que infestação por malware está acontecendo cada vez mais no nível de firmware, o nível mais básico, onde o usuário médio não pode fazer uma reinstalação do sistema operacional.

Mas vá um pouco mais longe e considere que o firmware está na verdade embutido nos chips, de uma maneira que muito poucas pessoas têm conhecimento para reinstalar o código operacional, e mesmo assim apenas de forma insatisfatória. Imagine o que aconteceria se não apenas computadores, mas dispositivos inteligentes e telefones de todos os tipos parassem de funcionar.

A nação mais atingida seria os EUA, na medida em que apenas um ou dois ataques recentes de ransomware demonstraram. Na sequencia viriam as nações do “primeiro mundo”, como grande parte da Europa Ocidental como também as nações da Ásia e Oriente Médio que “saltaram” uma geração de tecnologia no último quartel do século passado e início deste – tecnologia 1985-2010.

Na série de ficção científica “Fundação”, Isaac Asimov tem como enredo uma coalizão de mundos tecnicamente sofisticada, mas não militarmente poderosa, enfrentando uma guerra iniciada por uma população significativamente maior e fortemente militarizada, mas não tecnologicamente sofisticada. Em condições normais estes iriam perder. No entanto, em um plano pérfido, eles já haviam vendido muita coisa de sua tecnologia atrasada para a coalizão, em produtos domésticos e comerciais para o dia a dia.

Os produtos começaram a falhar e a coalizão descobriu que suas forças armadas eram, na verdade, fortemente dependentes desses produtos defeituosos, de tal forma que não tinham mais meios para contra-atacar à altura.

Neste mundo dos tempos modernos, o Ocidente é efetivamente a coalizão e a China o fornecedor de todos os produtos domésticos e comerciais de que tanto dependemos em um ou mais níveis. Com um pouco de imaginação, não é difícil ver como a China poderia, com base nestes pressupostos, facilmente construir um “Grande Interruptor Vermelho” no coração dos EUA, Europa, etc. com os infames produtos “Grey Supply Cyber Weaponized”.

Isso se já não o fez…

Publicado em março 5, 2022 in Hardware, Internet, Presença Remota, tecnologia

F-Droid – Repositório Android de Código Aberto e Livre

Os smartphones continuam produzindo vítimas, à esquerda e à direita. O caso ilustre mais recente, e bizarro, foi o do deputado da Assembleia paulista, pego em uma molecagem épica.

É até divertido. Enquanto as pessoas continuarem a ignorar a tecnologia subjacente e usar smartphones na ilusão de estarem em privacidade os incidentes – e as revelações – vão continuar sua marcha, para nosso deleite*.

A fachada social, a reputação e o patrimônio das pessoas correm um risco constante na cultura da atenção e da vigilância, impulsionada pela conectividade tóxica. A vida em 2022 é mergulhada em um ambiente tecnológico sem freios éticos. As tecnologias de conectividade imploram por uma revisão geral.

O ambiente Android é notório, entre tecnologistas e engenheiros de software éticos, por sua brutal falta de princípios morais. O usuário médio não faz a menor ideia do monstro que coloca em movimento a cada interação, cada like e a cada share [e, pela minha experiência, faz um about-face toda vez que alguém tenta lhe explicar, como agora – as pessoas odeiam falar de privacidade e eu adoro provocar sua reação].

Existe alternativa a esse estado de coisas assustador? Não, não existe nenhuma solução perfeita nesta situação social de massivo analfabetismo científico-tecnológico. Contudo, podemos falar em mitigação das ameaças. Nesse momento, entra em cena o F-Droid, sistema aberto e livre [as in speech], alternativo ao mefistofélico Android.

A ética tem sido central para a comunidade F-Droid desde o início, com foco em software livre, privacidade e no controle do usuário sobre a plataforma. Uma parte fundamental do design do F-Droid é a ausência de contas de usuário.

No F=Droid, contas de usuário nunca são usadas no processo de entrega de aplicativos. Isso é por design. O F-Droid nunca teve um método para identificar ou rastrear usuários no Android. Obter informações no site f-droid.org também nunca exigiu nenhum tipo de identificação pessoal.

Ter contas de usuário torna alguns problemas muito mais fáceis de resolver: torna mais fácil incluir classificações, revisões e personalizar a documentação. No entanto, ter contas de usuário torna outros problemas muito mais difíceis de resolver, a ponto de o custo-benefício ser negativo.

As contas de usuário inevitavelmente significam que informações de identificação pessoal (IPI) serão coletadas. Contas de usuário também exigem senhas e, adicionalmente, números de telefone ou endereços de e-mail. Todos esses dados precisam ser defendidos contra acesso indevido, o que é problemático na plataforma Android. Um dos principais objetivos do F-Droid é eliminar a possibilidade de rastrear os usuários.

Quando se trata de smartphones, a verdade que nunca é dita é que contas de usuário não são um requisito técnico para a criação de um serviço – embora inúmeros aplicativos façam parecer que sim. As contas de usuário são a maneira perfeita para coletar dados e vinculá-los na criação de perfis estatísticos muito detalhados. Essa arquitetura é fundamental para rastrear usuários, a fim de mercantilizá-los e oferecê-los no pregão da economia da atenção.

As contas de usuário também são usadas para controlar o acesso a informações e dados. Elas são usadas para “bloquear região” de vídeos e bloquear seletivamente o acesso a aplicativos. É claro que existem casos de uso legítimos para restringir o acesso, como garantir que crianças possam acessar apenas conteúdo apropriado para a idade. Por outro lado existem outras maneiras de fazer isso, como a curadoria de repositórios para que o material adulto seja entregue por meio de repositórios separados e opt-in.

As contas de usuário são fundamentais para rastrear pessoas

Contas e IDs de usuários são uma parte essencial do rastreamento de usuários e da criação de perfis estatísticos duradouros. Já se tornou um truismo da Intenet, que se um serviço qualquer exige uma conta para acessá-lo, esse serviço certamente está rastreando seus usuários. Quando um usuário faz login, ele está dizendo claramente ao serviço quem ele é. E esse serviço pode facilmente atribuir ações específicas a essa conta no ato da criação do perfil.

Isso não quer dizer que não haja motivos válidos para rastrear usuários. Como mencionado anteriormente, os editores da Wikipédia são um exemplo de serviço essencial construído com base nas contas dos usuários. O que estamos dizendo é que se a privacidade é um bem importante, os requisitos de login dos infinitos sites e serviços da Internet pedem que paremos um instante para pensar.

O Google nos fornece um exemplo não muito edificante. Ele se esforça muito para fazer com que as pessoas façam login o máximo possível, e a maioria de seus serviços exige que os usuários façam login com uma conta. Até o seu navegador Chrome exige logins, que são obviamente vinculados a contas do Google. Eles geralmente justificam esse requisito dizendo que isso torna os serviços mais fáceis de usar e, portanto, “mais convenientes”. A estrada da conveniência ainda vai nos levar a todos para o purgatório.

Embora seja óbvio que o rastreamento de usuários possa fazer com que certas coisas sirvam melhor ao perfil de um usuário, o Google parece consistentemente aplicar esses casos a situações em que eles têm uma vantagem clara em obter mais dados de rastreamento.

O que funciona sem contas de usuário?

F-Droid não está sozinho na entrega de serviços úteis sem contas ou perfis de usuários. Existe toda uma linha de aplicativos, como navegadores, wikis, blocos de notas compartilhados, videoconferência, mensagens e análises estatísticas.

A primeira pergunta a ser respondida é: um serviço precisa saber quem são os usuários para funcionar? Essas informações podem permanecer apenas no dispositivo do usuário? Por exemplo, um serviço de e-mail ou de mensagens precisa saber o suficiente sobre seus usuários para poder direcionar dados de um usuário que envia uma mensagem para o destinatário pretendido. Isso significa principalmente que o servidor de mensagens depende de cada usuário ter uma conta.

Essa é uma maneira comum de implementar esse sistema, mas não é a única. Tor Onion Services [forneço o link para informação, mas não concordo com o nome do verbete da Wiki em português] segue uma abordagem diferente. Eles são projetados para rotear dados sem que nenhuma parte do sistema possa ver quem está enviando dados para quem e quem está fazendo a solicitação. O aplicativo de mensagens Briar, oferecido pelo F-Droid baseia-se nesse esquema para fazer as mensagens funcionarem sem que ninguém saiba quem está enviando para quem, fora os envolvidos na conversa. Com o Briar, as informações de contato do usuário ficam armazenadas apenas nos dispositivos dos usuários.

O aplicativo de videoconferência foi construído em torno de IDs de usuários, como contas e números de telefone. Serviços como Jitsi Meet [serviço oposto ao proprietário e fechado Zoom] foram pioneiros em uma nova forma de conexão: cada sala de conferência é representada por um nome em na URL, por exemplo, https://meet.jit.si/CanalDoTrabalho. Qualquer pessoa que tenha esse URL pode abri-lo em um navegador e entrar na sala.

O Jitsi Meet funciona lindamente e já demonstrou que as reuniões online realmente funcionam melhor sem contas de usuário – e são muito mais fáceis de configurar e gerenciar. Plataformas de reunião que não suportem ingresso com apenas uma URL [sem conta de usuário] estão fadadas à extinção.

A Wikipedia é um ótimo exemplo híbrido. É possível editar a maioria das páginas sem uma conta, apenas clicando em editar e fazendo as alterações. O conteúdo gerado pelo usuário inevitavelmente precisa de controles para sobreviver às guerras de edição e comportamento abusivo. Portanto, as contas de usuário ainda são uma parte fundamental de como a Wikipédia funciona. No entanto, neste caso o uso de contas decorre da necessidade dos editores da Wikimedia de fornecer serviços essenciais a seus usuários.

Como o ecossistema F-Droid funciona baseado em hashes de arquivos estáticos sem controles de acesso, ele pode liberar todo tipo de flexibilidade. Os repositórios-espelhos do f-droid.org/repo podem ser entregues em todo o mundo com segurança, por meio de web services, Raspberry Pis locais ou até mesmo um pen drive USB. Com o IPFS [Inter Planetary File System – Sistema de Arquivos Inter Planetário] qualquer conteúdo pode ser baixado por qualquer pessoa sem necessidade de permissões ou serviços centralizados.

Para resumir tudo a duas linhas, o F-Droid é um grande aliado do usuário consciente que deseja limitar a presença do Google em suas vidas sempre que possível.

Aqui o link para download, Caso alguma leitora ou leitor queira realmente explorar a ideia e instalá-lo, pode me perguntar nos comentários, que terei prazer em explicar e dar links para todas as informações.

Este post marca o primeiro aniversário do blog. Nada a comemorar em termos de sucesso. Memoráveis as pessoas incríveis que conheci na rede WordPress.

Feliz aniversário para mim, Êêêêê…

Publicado em fevereiro 18, 2022fevereiro 24, 2022 in Hardware, Internet, Presença Remota, tecnologia

Meu Problema com Smartphones

Eu estou abandonando os smartphones como dispositivos de uso pessoal. Desde o começo do ano o meu jaz morto, em uma caixa metálica. Não consigo viver com os muitos problemas dessa infortunada tecnologia.

O principal problema é que os celulares não podem funcionar se não souberem onde o usuário está. Essa característica fundamental de design é explorada sem qualquer limite por indivíduos mal-intencionados, por corporações internacionais e pelos agentes de aplicação da lei e inteligência. Não que eu tenha algo a esconder – na verdade todos temos.

Ah, os prazeres da vida de volta! Sem um celular é possível dedicar meu tempo inteiro à atividades realmente úteis. É libertador poder evitar os lunáticos do WhatsApp; ou o mau gosto e a indigência mental de certos influencers; poder evitar aquele meme do Big Brother [socorro!]. Evitar ver as pessoas tirando selfies diante do espelho, olhando apatetadas para o celular. Ou evitar os golpes do Pix.

Sem o smartphone é muito fácil evitar os robóticos e intoleráveis operadores de telemarketing. É possível evitar também que as companhias de seguros definam o prêmio a pagar pelo seguro do carro, por conta do histórico de localização e informações de acelerômetro extraídos do smartphone [“você fez Campinas-São Paulo em 25 minutos, faz manobras bruscas e freia muito forte“]. Ou ser incluído em um cadastro fantasma de crédito, como os que pululam no mercado e definem os valores que pagamos pelos diversos serviços que usamos.

Evitar ser atropelado. Ou levar um tiro de um sniper do Mossad.

Vou deixar as torturadamente óbvias questões de segurança de lado nesta postagem, para focar em outros atributos igualmente preocupantes e pouco discutidos dos smartphones. Allez.

São dispositivos voltados ao consumo ostensivo

Os smartphones são apenas dispositivos de consumo insano e irrefreável. Nesse aspecto, eles diferem criticamente dos PCs, porque os PCs são dispositivos igualitários, no sentido de que o mesmo dispositivo pode ser usado para tanto para criação quanto consumo de conteúdo. Isso significa que qualquer pessoa com um PC pode criar e consumir, se assim o desejar. Essa igualdade cultural, estabelecida no começo da era da Web [minha referência é o Eterno Setembro de 1993] foi diminuída pelo êxodo dos usuários para os dispositivos móveis – que só podem ser usados para consumo.

Eles não são verdadeiros clientes de rede

Os smartphones têm CPUs poderosas e conexões de rede rápidas, exceto que você é impedido de usar esses recursos de forma significativa, porque seu uso consome a carga da bateria – e as pessoas não querem que a preciosa vida útil da bateria de seus telefones seja drenada desnecessariamente.

Portanto, há uma enorme quantidade de poder de computação e conectividade de rede que, na prática, você não pode usar. Isso leva a uma consequência ainda mais infeliz e ridícula: por causa dessas limitações, em um smartphone você não pode implementar a maioria dos protocolos de rede existentes [ou você pode, mas não sem esgotar a bateria]. O que é um paradoxo para um equipamento voltado à conectividade .

Eles arruinaram o web design

Mas eu provavelmente deverei escrever um artigo inteiro sobre isso.

As tecnologias são opacas

São produtos e serviços com alinhamentos empresariais nebulosos, ou de clara malevolência. Supostamente, com o Android, por exemplo, você é livre para instalar software de fontes arbitrárias e substituir o sistema operacional. Exceto que esses recursos são frequentemente restritos pelos próprios fabricantes, ou pelas telecoms.

Promovem a discriminação

A discriminação contra pessoas que exercem controle sobre seus dispositivos é comum, e qualquer aplicativo de análise vai revelar isso. Há uma expectativa predominante das empresas de tecnologia, de que as pessoas vão sempre abrir mão do controle sobre seus dispositivos, a ponto de aqueles que o fizerem serem minoria suficiente para serem discriminados e terem a funcionalidade de seus dispositivos reduzida por isso. A vida bancária é hoje uma tortura sem smartphones. Mas isso não deveria ser encarado de forma normal. É um abuso terrível e – por motivos óbvios – não deveria acontecer.

Ademais, prevalência de fontes de ransomware operados na Rússia, que vendem contas de celular roubadas da Internet, sugere que o uso de verificação por telefone como estratégia anti-spam não tem sido muito eficaz.

São responsáveis por uma centralização maciça

Um número desproporcional de aplicativos para, digamos, Android, depende de um servidor central operado pelo fabricante do software, com algum protocolo proprietário entre o cliente e esse servidor. De fato, essa é a própria premissa dos sistemas de notificação por push usados pelo Android e iOS.

Eles levaram a uma centralização maciça. Parte do movimento dos ativos de Internet em direção à “nuvem” provavelmente é impulsionado pelo fato de que, embora os smartphones tenham recursos computacionais substanciais, você não pode usá-los por causa da curta duração da bateria. Isso faz com que a computação seja transferida para a nuvem, criando uma dependência de uma entidade centralizada. Quantos aplicativos para smartphones vendidos ainda funcionariam se seus fabricantes falissem ou saíssem do negócio?

Provavelmente o exemplo mais risível da centralidade desempenhada pelo telefone é quando, em um momento de loucura [ou de bebedeira] eu tento criar, em um desktop, uma conta numa rede social qualquer. Após o envio do formulário de registro, o site sempre diz para eu me inscrever através do aplicativo de smartphone, o que é um non sequitur realmente bizarro, já que eu não forneço nenhuma evidência de que eu tenha um smartphone. O que é hilário, no entanto, é que é possível criar uma conta do Twitter de dentro de uma máquina virtual no Android (obviamente sem número de telefone), provando essencialmente que a coisa toda é apenas teatro de segurança.

O que realmente me irrita nessas exigências por números de telefone [que são formatados no infame padrão E.164 – the international public telecommunication numbering plan – plano numérico da comunicação pública internacional], no entanto, é a maneira como eles me obrigam a abandonar meus orgulhosos princípios de pioneiro independente da Internet, sem documento e sem telefone.

Quando o Google exige um número E.164, eles não fazem isso apesar do fato de o E.164 ser um padrão técnico um tanto opaco e fechado, mas exatamente por causa disso. Basicamente, tudo de ruim sobre o namespace E.164 e suas organizações constituintes é precisamente o que o torna atraente para fins nebulosos em organizações como o Google et caterva.

Os gigantes da conectividade e seus operadores sustentam uma rede opaca, mantendo-a assim, porque no íntimo consideram problemática a própria abertura da internet. Isso representa essencialmente a retirada intencional do papel da Internet original como a raiz de todas as redes, orquestrada por uma organização que está ironicamente associada à própria internet. É um movimento deprimente de se ver.

(*) Editado por questões de estilo

Vox Leone

Sistemas Inteligentes

Categoria: Hardware

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Meu Problema com Smartphones