La stampa rotazionale 3D consente ai ricercatori di Harvard di controllare l’orientamento delle fibre per le parti ultra-resistenti
I ricercatori della facoltà di ingegneria e scienze applicate di John A. Paulson di Harvard hanno sviluppato un metodo di stampa 3D che consente un controllo senza precedenti delle fibre corte incorporate in matrici polimeriche. Chiamano il loro metodo “stampa 3D rotazionale”.
La stampa 3D rotazionale può produrre parti più resistenti con un alto livello di tolleranza al danno
Nella ricerca della forza suprema e della tolleranza al danno nelle parti stampate in 3D, i ricercatori possono esplorare diverse strade, ognuna delle quali può influenzare la qualità di un oggetto stampato. Trovare il processo di stampa 3D migliore e più appropriato è una parte comprensibilmente significativa, mentre la selezione di un materiale forte ma stampabile svolge anche un ruolo importante. La microstruttura di un oggetto stampato in 3D, sia che si tratti di piccoli reticoli, ad esempio, è un’altra area che può influire notevolmente sulle prestazioni di una parte stampata.
Per un gruppo di ricercatori della scuola di ingegneria e scienze applicate di John A. Paulson (SEAS) di Harvard, c’è una nuova variabile da tenere in considerazione, una che potrebbe dimostrare la differenza tra le parti stampate in media e ad alta resistenza realizzate con compositi epossidici. Questo nuovo fattore è l’orientamento delle fibre, una variabile che può essere controllata con precisione usando la tecnica di “stampa rotazionale in 3D” appena sviluppata dai ricercatori.
In uno studio condotto dalla straordinaria stampatrice 3D Jennifer A. Lewis, dal professore Hansjorg Wyss di Biologically Inspired Engineering presso Harvard SEAS e dai cervelli dietro la società di stampanti 3D Voxel8 , i ricercatori della SEAS hanno sviluppato un nuovo processo di produzione additiva che fornisce un controllo senza precedenti dell’accordo di fibre corte incorporate in matrici polimeriche. Il risultato è la capacità di stampare materiali strutturali 3D ottimizzati per resistenza, rigidità e tolleranza ai danni.
La chiave dell’emozionante processo di “stampa rotazionale in 3D” è la coreografia precisa della velocità e della rotazione di un ugello per stampante 3D, che consente ai ricercatori di programmare la disposizione delle fibre incorporate in matrici polimeriche. L’installazione è ingannevolmente semplice: un sistema di testina rotazionale è dotato di un motore passo-passo, che serve per regolare la velocità angolare dell’ugello rotante mentre l’inchiostro da stampa 3D viene estruso sul piano di stampa e quindi su strati successivi.
“Essere in grado di controllare localmente l’orientamento delle fibre all’interno dei compositi ingegnerizzati è stata una grande sfida”, ha detto Lewis, che pensa che il nuovo processo di stampa 3D porti i ricercatori a un passo più vicino alla replica del tipo di strutture equilibrate ed efficaci presenti in natura: legno, ossa, denti, ecc. “Ora possiamo modellare i materiali in modo gerarchico, simile al modo in cui la natura costruisce.”
Questo processo di stampa 3D ispirato alla natura può essere utilizzato per ottenere disposizioni di fibre “ottimali o quasi ottimali” in ogni area di una parte stampata in 3D, il che significa maggiore resistenza e rigidità utilizzando meno materiale. Inoltre, i ricercatori ritengono che il loro processo sia più efficace dell’utilizzo di campi magnetici o elettrici per orientare le fibre, controllando invece il flusso dell’inchiostro di stampa 3D direttamente.
Forse la cosa più interessante da una prospettiva di produzione additiva, i ricercatori del SEAS dicono che la stampa 3D rotazionale non è legata esclusivamente a qualsiasi forma di deposito di materiale. Ciò significa che i processi di stampa 3D esistenti come FDM, la scrittura diretta dell’inchiostro e persino la produzione di additivi termoplastici su larga scala potrebbero essere aumentati con ugelli rotanti per creare parti più resistenti e più resistenti ai danni.
La nuova tecnica consente inoltre agli utenti di stampare materiali ingegnerizzati che possono essere programmati spazialmente per raggiungere “obiettivi specifici di prestazione”. Ottimizzare localmente l’orientamento delle fibre può, ad esempio, aumentare la tolleranza al danno in punti critici delle aree che hanno maggiori probabilità di sottoporsi a livelli elevati di stress nella loro specifica applicazione per uso finale.
Jordan Raney, uno dei ricercatori coinvolti nel progetto e ora Assistant Professor di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata presso l’Università della Pennsylvania, ritiene che questa localizzazione sia uno degli aspetti più importanti della stampa 3D rotazionale. “Una delle cose più eccitanti di questo lavoro è che offre una nuova strada per produrre microstrutture complesse e per variare in modo controllabile la microstruttura da regione a regione”, ha detto Raney. “Più controllo sulla struttura significa più controllo sulle proprietà risultanti.”
Un documento di ricerca che documenta i risultati è stato pubblicato sulla rivista PNAS . Altri collaboratori sono Brett Compton, ora Assistant Professor in Ingegneria Meccanica presso l’Università del Tennessee, Knoxville, e in visita al dottorando Jochen Mueller del Politecnico di Zurigo.
