Brookhaven National Laboratory BNL un metodo con strutture tipo KEBAB per comprendere meglio il processo di stampa 3D FFF

GLI SCIENZIATI DI BROOKHAVEN USANO STRUTTURE SIMILI A KEBAB PER FAR AVANZARE LA STAMPA 3D FFF

I ricercatori del Brookhaven National Laboratory (BNL) del Dipartimento dell’Energia hanno escogitato un metodo per comprendere meglio il processo di stampa 3D Fused Filament Fabrication (FFF).

Lavorando con un team della Stony Brook University , gli scienziati di Brookhaven hanno sviluppato un metodo a doppia scansione, che ha permesso loro di monitorare la deposizione di materiale durante la stampa 3D in tempo reale. Durante il test del loro approccio, il gruppo ha scoperto che il taglio indotto dall’ugello può creare strutture di “shish kebab” in polipropilene, un polimero termoplastico semicristallino comunemente usato. I componenti “shish” sono lunghe strutture fibrose che collegano i “kebab”, che sono “a disco” in apparenza. Utilizzando la loro nuova tecnica, i ricercatori non solo hanno scoperto la causa delle irregolarità, ma ora credono che potrebbe anche essere usato per fornire una visione di come si comportano altri polimeri durante la produzione di FFF.

“La produzione additiva è una tecnologia che sta emergendo rapidamente e, fino a poco tempo fa, i miglioramenti venivano fatti empiricamente e spesso in modo inefficiente. Era il selvaggio West della tecnologia “, ha dichiarato Miriam Rafailovich, professore alla Stony Brook University. “Il campo ora sta maturando e coloro che sono coinvolti si rendono conto che è importante quantificare sia le procedure che i risultati, al fine di garantire la riproducibilità tra i dispositivi stampati, ad esempio che soddisfino gli standard di dimensioni e consentano di convalidare tali standard “.

Durante il processo di stampa 3D FFF, i materiali vengono estrusi in un modo che li espone a un alto livello di calore e stress meccanico. La pressione causata sul filamento durante questo processo fa sì che lo strato desideri distorcere e, man mano che gli strati si accumulano, aumenta il rischio che si verifichino irregolarità. Se il polimero si deforma troppo quando viene estruso dall’ugello della stampante, ciò può anche portare a guasti strutturali all’interno della parte.

Secondo i ricercatori, alcuni materiali sono particolarmente vulnerabili a questo tipo di irregolarità strutturale. Le materie plastiche semicristalline, ad esempio, presentano catene di polimeri altamente organizzate e strettamente imballate, che le rendono più suscettibili al collasso. Al fine di comprendere meglio il motivo per cui si verificano guasti, il team ha sviluppato un sistema simultaneo che prevedeva l’acquisizione in tempo reale delle letture di diffusione dei raggi X insieme ai controlli della temperatura del processo di stampa.

Il metodo di monitoraggio della fabbricazione dei ricercatori

Per acquisire i dati necessari, il team di ricerca ha sfruttato il proprio sistema di beamline Soft Matter Interfaces (SMI), ospitato presso la struttura National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) del laboratorio Brookhaven. Usando la tecnologia del micro raggio a raggi X dello scanner, gli scienziati sono stati in grado di misurare i dettagli strutturali delle parti stampate in 3D, fino a una risoluzione di diversi micrometri o diversi milionesimi di metro.

Il sistema SMI ha anche permesso al team di esaminare le strutture interne dei filamenti durante la formazione dello strato, mentre la telecamera a infrarossi della macchina ha permesso loro di monitorare anche la temperatura durante tutto il processo. Yuval Shmueli, autore principale e ricercatore di Stony Brook, ha spiegato che la complicata procedura ha funzionato: “Il micro-raggio a raggi X combinato con tre rivelatori — per angoli di diffusione piccoli, medi e ampi — ci ha permesso di raccogliere dati morfologici spaziali ad alta risoluzione sulla struttura stampata mentre veniva stampato. “

“Una delle maggiori sfide che abbiamo dovuto affrontare è stata l’installazione della stampante 3D direttamente sul percorso del raggio X, insieme a una termocamera ad infrarossi leggermente sfalsata in modo che la temperatura e lo spettro di diffusione ad alta risoluzione potessero essere misurati contemporaneamente”, ha aggiunto .

Le catene simili a kebab dei ricercatori (nella foto) si sono verificate nell’interfaccia tra due filamenti adiacenti. Immagine tramite il giornale Applied Materials and Interfaces.
Le catene simili a kebab dei ricercatori (nella foto) si sono verificate nell’interfaccia tra due filamenti adiacenti. Immagine tramite il giornale Applied Materials and Interfaces.
Avvalendosi della loro nuova tecnica, il team di ricerca ha scoperto che il taglio indotto dall’ugello della stampante durante il processo FFF, a volte può creare strutture “shish kebab” nel filamento di polipropilene ampiamente utilizzato. Le componenti “shish” della formazione sembravano lunghe strutture fibrose, e queste erano attaccate alle sezioni “kebab” simili a un piatto, per creare una deviazione simile a quella di un donatore.

I successivi test di scattering a raggi X hanno rivelato che le strutture simili a shish sono state nucleate sulla superficie del filamento e quindi si sono propagate verso l’interno, verso il nucleo del filamento. Riassumendo, quando fu stampato il secondo strato, le catene polimeriche si rilassarono e si diffusero attraverso l’interfaccia tra lo strato già stampato e quello in fase di stampa. L’intero processo ha causato la fusione quasi totale dei filamenti.

Correlando i risultati della diffusione dei raggi X con le successive misurazioni meccaniche, il team ha scoperto che i prodotti finiti presentavano eccellenti proprietà di resistenza, in concorrenza con quelli dei prodotti creati con stampi. Di conseguenza, i ricercatori hanno considerato il loro nuovo approccio alla scansione un successo e hanno concluso che le nuove applicazioni del metodo potrebbero portare a ulteriori scoperte sulla stampa 3D FFF. “Speriamo che, a seguito di questo lavoro, sia possibile esaminare più materiali in questo modo per migliorare il processo di stampa 3D e avere approfondimenti migliori e più completi su di esso”, ha concluso Shmueli.

I raggi X avanzano nella produzione additiva

Mentre la combinazione di metodi di imaging del team Brookhaven può costituire un nuovo approccio, la stessa tecnologia a raggi X è già stata applicata in molti modi per migliorare le prestazioni delle parti stampate in 3D.

Il Centro per la produzione additiva della Auburn University, ad esempio, ha installato un sistema CT a raggi X da 1,5 milioni di dollari per i test non distruttivi (NDT) delle parti stampate in 3D. Il sistema è stato descritto come “un vero punto di svolta” per i programmi di produzione dell’industria aerospaziale e aeronautica dell’università.

Allo stesso modo, gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory stanno studiando l’uso dell’imaging a raggi X per esaminare le parti metalliche durante il processo Laser Powder Bed Fusion (LPBF). La ricerca ha lo scopo di identificare le cause dei difetti nelle parti metalliche stampate in 3D e capire come mitigare tali difetti.

I ricercatori dell’Università di Nantes, d’altro canto, hanno utilizzato l’imaging IR per studiare il trasferimento di calore e l’adesione tra strati durante la stampa 3D FFF. Il team ha deciso di trovare il set ottimale di parametri di stampa, con cui massimizzare le proprietà meccaniche delle parti stampate in 3D prodotte.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Studio in situ di dispersione dei raggi X nel polipropilene isotattico nella produzione di additivi “ nel giornale Applied Materials and Interfaces. Il rapporto è stato scritto da Yuval Shmueli, Yu-Chung Lin, Sungsik Lee, Mikhail Zhernenkov, Rina Tannenbaum, Gad Marom e Miriam H. Rafailovich.

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