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Stampa 3D - Processi

I ricercatori di Virginia Tech scoprono un nuovo processo per la stampa 3D in lattice

Il nuovo metodo consente la creazione di forme geometriche complesse con una varietà di materiali elastici

Il lattice, comunemente noto come materiale nei guanti o nella vernice, si riferisce a un gruppo di polimeri – lunghe e ripetute catene di molecole – arrotolati all’interno di nanoparticelle disperse in acqua. Un nuovo metodo per la stampa 3D in lattice e altri materiali similmente gommosi chiamati elastomeri potrebbe essere utilizzato per una varietà di applicazioni, tra cui robotica leggera, dispositivi medici o ammortizzatori.

Il lattice stampato in 3D è stato documentato solo poche volte nella letteratura scientifica. Nessuno degli esempi precedenti si avvicina alle proprietà meccaniche del lattice stampate da un team interdisciplinare affiliato al Macromolecules Innovation Institute (MII), al College of Science e al College of Engineering.

Attraverso nuove innovazioni in entrambe le discipline di chimica e ingegneria meccanica, il team ha superato alcuni limiti di vecchia data della stampa 3D, nota anche come produzione additiva. I ricercatori hanno modificato chimicamente il lattice liquido per renderli stampabili e hanno creato una stampante 3D personalizzata con un sistema di visione computerizzata per stampare caratteristiche accurate e ad alta risoluzione di questo materiale ad alte prestazioni.

“Questo progetto rappresenta l’esempio per eccellenza della ricerca interdisciplinare”, ha affermato Timothy Long, professore di chimica e investigatore co-principale in questo progetto insieme a Christopher Williams, professore di ingegneria meccanica LS Randolph e direttore ad interim di MII. “Nessuno dei nostri laboratori sarebbe in grado di realizzare questo senza l’altro”.

Questo progetto è una collaborazione congiunta tra Virginia Tech e Michelin North America attraverso un premio della National Science Foundation in linea con il programma Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry, che supporta la ricerca in team tra università e industria. I dettagli dei loro risultati iniziali sono dettagliati in un articolo di rivista pubblicato in ACS Applied Materials & Interfaces.

Sviluppo di nuovi materiali nella scienza

Dopo tentativi falliti di sintetizzare un materiale che avrebbe fornito il peso molecolare ideale e le proprietà meccaniche, Phil Scott, uno studente di ingegneria e scienze macromolecolari del quinto anno nel Long Research Group, ha optato per i lattici liquidi commerciali.

Alla fine i ricercatori volevano questo materiale in una solida forma stampata in 3D, ma Scott doveva prima aumentare la composizione chimica per consentirne la stampa. Ha incontrato una sfida fondamentale: il lattice liquido è estremamente fragile e difficile da modificare.

“Il lattice è in uno stato di zen”, ha detto Viswanath Meenakshisundaram, un dottorato di ricerca in ingegneria meccanica del quinto anno. studente nel laboratorio di progettazione, ricerca e formazione per sistemi di produzione additiva che ha collaborato con Scott. “Se aggiungi qualcosa ad esso, perderà completamente la sua stabilità e si schianterà.”

Quindi, i chimici hanno avuto una nuova idea: cosa succederebbe se Scott costruisse un’impalcatura, simile a quella usata nella costruzione di edifici, attorno alle particelle di lattice per tenerle in posizione? In questo modo, il lattice potrebbe mantenere la sua grande struttura e Scott potrebbe aggiungere fotoiniziatori e altri composti al lattice per consentire la stampa 3D con luce ultravioletta (UV).

Chimici e ingegneri meccanici dei gruppi di ricerca di Timothy Long e Christopher Williams hanno collaborato a questo progetto. Questa foto è stata scattata all’inizio del 2020.

“Quando si progetta l’impalcatura, la cosa più importante di cui preoccuparsi è la stabilità del tutto”, ha detto Scott. “Ci sono volute molte letture, anche cose basilari come imparare perché i colloidi siano stabili e come funziona la stabilità colloidale, ma è stata una sfida davvero divertente”.

Nuovo sviluppo di elaborazione in ingegneria

Mentre Scott armeggiava con il lattice liquido, Meenakshisundaram doveva capire come stampare correttamente la resina. I ricercatori hanno scelto di utilizzare un processo chiamato fotopolimerizzazione iva, in cui la stampante utilizza la luce UV per polimerizzare o indurire una resina viscosa in una forma specifica.

Avendo bisogno di una stampante in grado di stampare funzionalità ad alta risoluzione su una vasta area, Meenakshisundaram ha costruito una nuova stampante. Lui e Williams, il suo consulente, hanno avuto l’idea di scansionare la luce UV su una vasta area e, nel 2017, hanno depositato un brevetto per la stampante.

Anche con la stampante personalizzata, le particelle di lattice fluido hanno causato la dispersione all’esterno della luce UV proiettata sulla superficie della resina di lattice, il che ha comportato la stampa di parti imprecise, quindi Meenakshisundaram ha lavorato ad una seconda idea. Ha incorporato una fotocamera sulla stampante per catturare un’immagine di ogni vasca di resina di lattice. Con il suo algoritmo personalizzato, la macchina è in grado di “vedere” l’interazione della luce UV sulla superficie della resina e quindi di regolare automaticamente i parametri di stampa per correggere la dispersione della resina per curare solo la forma desiderata.

“La stampante per scansioni di grandi dimensioni era un concetto che avevo e Viswanath è diventata realtà in breve tempo”, ha affermato Williams. “Quindi Viswanath ha avuto l’idea di incorporare una macchina fotografica, osservando come la luce interagisce con il materiale e aggiornando i parametri di stampa in base al suo codice. Questo è ciò che vogliamo dal nostro dottorato di ricerca. studenti: forniamo una visione e loro la realizzano, crescendo così oltre come ricercatori indipendenti”.

Meenakshisundaram e Scott scoprirono che le loro parti finali di lattice stampato in 3D presentavano forti proprietà meccaniche in una matrice nota come rete polimerica semi-interpenetrante, che non era stata documentata per i lattici elastomerici nella letteratura precedente.

“Una rete di polimeri compenetranti è come catturare pesci in una rete”, ha detto Meenakshisundaram. “L’impalcatura gli dà una forma. Una volta inserito nel forno, l’acqua evapora e le catene polimeriche strettamente arrotolate possono rilassarsi, diffondersi o fluire e compenetrarsi nella rete”.

Un approccio alle molecole manifatturiere

I nuovi progressi nello sviluppo e nella lavorazione dei materiali evidenziano l’ambiente interdisciplinare favorito tra i due gruppi.

Long e Williams hanno entrambi riconosciuto la competenza della loro controparte per rendere possibile la svolta collettiva.

“La mia filosofia è che questi tipi di innovazioni sono realizzabili solo quando si collabora con persone molto diverse da te”, ha affermato Long.

I due professori hanno affermato che il lattice stampato in 3D fornisce la struttura concettuale per la stampa di una gamma di materiali senza precedenti, dalla plastica rigida alle gomme morbide, che fino ad ora non erano stampabili.

“Quando ero uno studente laureato che lavorava su questa tecnologia, eravamo entusiasti di ottenere prestazioni uniche dalle forme che potevamo creare, ma il presupposto alla base era che dovevamo accontentarci di materiali molto scadenti”, ha detto Williams. “Ciò che è stato così entusiasmante di questa scoperta con il gruppo di Tim è la possibilità di spingere il confine di ciò che ritenevamo fosse il limite delle prestazioni di un materiale stampato”.

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Andrea Gambini

Mi piace leggere e scrivere da sempre. Ho iniziato a lavorare in redazione come giornalista sportivo nel 2008, poi la passione per il giornalismo e per il mondo della comunicazione in generale, mi ha permesso di ampliare notevolmente i miei interessi, arrivando negli anni a collaborare con le più svariate testate giornalistiche online. Mi sono poi avvicinato alla stampa 3D, colpito dalle grandissime potenzialità di questa nuova tecnologia, che giorno dopo giorno mi hanno spinto a informarmi sempre più su quella che considero una vera rivoluzione che si farà presto sentire in tantissimi campi della nostra vita quotidiana.

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