Stampa 3D di parti dalla forma quasi netta senza post

5 giugno 2023

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di Lynn Shea, Ingegneria meccanica della Carnegie Mellon University

Il professor Rahul Panat della Carnegie Mellon University e il suo team stavano sviluppando un nuovo tipo di dispositivo Brain-Computer Interface (o BCI) stampato in 3D in cui micropilastri personalizzati catturano i segnali di comunicazione dai neuroni quando si sono imbattuti in un problema inaspettato: i micropilastri nell'array piegato durante la sinterizzazione. Questi dispositivi BCI, ora chiamati "CMU Arrays", impilano milioni di nanoparticelle metalliche nello spazio 3D e poi le sinteriscono, cioè le fondono insieme.

In un'illustrazione piuttosto drammatica, un film time-lapse del loro esperimento, i micropilastri d'argento si sono aperti in modo altamente coordinato come un fiore che sboccia durante il processo di sinterizzazione di 12 ore a 150-300 °C. Questo fenomeno era del tutto inaspettato poiché la teoria della sinterizzazione non prevede alcuna distorsione permanente, anche a temperature variabili.

Panat ha guidato un team interdisciplinare di ricercatori della Carnegie Mellon e della Washington State University in una ricerca non solo per determinare il motivo per cui si è verificata una tale distorsione, ma, cosa ancora più importante, per trovare un modo per controllarla. Infatti, se controllata, la ricerca porterebbe alla prima illustrazione al mondo della sinterizzazione come meccanismo di “stampa 4D”, una disciplina relativamente nuova all’interno della produzione additiva (AM) in cui gli oggetti stampati in 3D vengono trasformati in un’altra forma utilizzando fonti come calore, acqua, o altri stimoli ambientali.

Attraverso la loro indagine, il team ha dimostrato in modo definitivo che il trasporto di massa era necessario per causare il cambiamento permanente della forma. Hanno definito due possibili meccanismi di distorsione e hanno formulato un modello continuo primo nel suo genere che prevede accuratamente la distorsione e i parametri che la controllano. I loro risultati sono pubblicati nell'ultimo numero della rivista Nature Communications Sandra Ritchie, dottoranda senior. candidato in Ingegneria Meccanica, è lo studente principale dello studio.

"È molto entusiasmante poter risolvere un problema fondamentale nella produzione additiva che rappresentava l'ostacolo principale per ottenere parti dalla forma quasi perfetta utilizzando la produzione additiva. Tali parti non richiedono lavorazioni aggiuntive, il che riduce i costi e risparmia energia", ha affermato Panat, che ha aggiunto: "L'idea della sinterizzazione come modo per ottenere la stampa 4D aprirà nuove direzioni di ricerca". Poiché gli attuali sforzi per ridurre la distorsione nella stampa 3D sono in gran parte limitati a noiosi approcci per tentativi ed errori, la risoluzione di questo problema potrebbe essere un fattore chiave per il progresso della tecnologia di produzione additiva.

Gli esperimenti con l’utilizzo dei micropilastri sono stati entusiasmanti, ma per limitare il cambiamento di forma in una direzione, gli autori hanno ideato una nuova serie di esperimenti per creare micropareti spesse 20 e 35 μm. L'imaging ottico potrebbe quindi essere utilizzato per misurare con precisione la distorsione (flessione in questo caso). Come nel caso dei micropilastri, la curvatura delle micropareti aumentava man mano che la sinterizzazione procedeva fino a raggiungere un valore di picco, prima di mostrare un lieve recupero. Le misurazioni termiche hanno mostrato che le micropareti si piegano sempre verso il lato più caldo, indicando il trasporto di massa tramite sinterizzazione differenziale.

Questa ricerca affronta una questione fondamentale nella produzione additiva e si prevede che apra la ricerca che Panat spera di continuare nella microscopia operando per osservare il trasporto di massa durante la distorsione, il controllo della temperatura per ottenere la stampa 4D su diverse configurazioni e lo sviluppo di modelli che prevedono il cambiamento di forma. per forme complesse come ci si aspetterebbe in parti di grandi dimensioni per settori come le strutture aerospaziali.