L’acoustoforesi nella regolazione dei materiali compositi per la stampa 3D o meglio Compositi flessibili con anisotropia elettrica programmata mediante acoustoforesi

Ricercatori dell’Università della California esplorano

Scienziati dell’Università della California di Santa Barbara hanno esplorato l’uso della acoustoforesi nella regolazione dei compositi elettrici in accompagnamento alla stampa 3D in ” Compositi flessibili con anisotropia elettrica programmata mediante acoustoforesi “. Questo lavoro espande l’attuale domanda nel mercato dei materiali di stampa 3D multifunzionali.

Oggi vediamo molti tipi diversi di materiali conduttivi nella stampa 3D, ma come sottolineano i ricercatori, ci sono ostacoli dovuti a spese e post-elaborazione che consumano troppo tempo. Il loro obiettivo è quello di essere in grado di creare materiali funzionali che consentiranno ulteriori applicazioni in robotica, dispositivi indossabili e dispositivi di gestione termica.

Gli scienziati approfondiscono il potenziale dei compositi a matrice polimerica, in quanto offrono gli adeguati livelli di rigidità e conducibilità elettrica e termica. Le interconnessioni elettriche incorporate mostrano una grande promessa, non solo in termini di accessibilità, ma anche di tempo dedicato al cablaggio. L’assemblaggio sul campo può essere il modo migliore per creare assemblaggi di particelle di riempimento prima di polimerizzarsi nella stampa 3D. Il team di ricerca sottolinea che questo metodo consente loro di evitare limitazioni della dimensione delle particelle di riempimento, insieme a:

Limiti di risoluzione
Problemi di compatibilità con i materiali
Complessità proibitiva
Costo proibitivo
Elevato tempo di produzione
La focalizzazione acustica è una tecnica di assemblaggio che utilizza la pressione per controllare e ruotare le particelle in un dato campo. Mentre è stato utilizzato più di recente in applicazioni come lo smistamento cellulare, la messa a fuoco acustica può essere utilizzata nella scrittura diretta dell’inchiostro così come nella stereolitografia per l’integrazione di varie strutture di particelle in parti stampate in 3D. Il team di ricercatori ha sviluppato un nuovo modo di stampare in 3D con circuiti elettrici in questo studio, dimostrando che i compositi elettrici possono alternarsi tra conduttivo e isolante, nonché tra isotropico e anisotropico.

“Inoltre, i compositi modellati con la messa a fuoco acustica richiedono un ordine di grandezza inferiore della concentrazione di particelle per raggiungere la stessa conduttività dei convenzionali compositi a fibre disperse, che qui superano i 5000 S / m. Infine, dimostriamo che questi compositi modellati possono essere utilizzati come conduttori flessibili durevoli, con conduttività costante da 500 a 0,7 mm di raggio di curvatura “, hanno affermato i ricercatori.

Questo metodo si basa su campi di pressione per il controllo di particelle sospese in materiali di stampa 3D, attivati ​​con un attuatore piezoelettrico. Gli scienziati usano un sistema a due componenti, costituito da fibre di carbonio o fibre di vetro rivestite di argento. I compositi sono stati curati ma senza la presenza di messa a fuoco acustica e con tutte le fibre disperse.

“I compositi non concentrati isolano le frazioni di volume delle fibre φ al di sotto del 3,3%, risultando in una misurazione a circuito aperto. Oltre il 3,3%, questi compositi hanno una bassa conduttività (<1 S / m), con circa l’1% delle fibre che contribuiscono alla rete conduttiva. Questa transizione dall’isolamento al comportamento conduttivo a φ = 3,3% è detta soglia di percolazione φc, data da φc = 1 / (π / 2a + 2a + 3 + π) = 3,3%, dove a = l / d è il rapporto di aspetto delle fibre “, hanno dichiarato i ricercatori.

Le fibre vengono manipolate in fasci tramite acoustoforesi prima della polimerizzazione UV, con spaziatura di una mezza lunghezza d’onda del campo di pressione.

“Con la messa a fuoco acustica attivata, la conduttività dei materiali compositi in fibra di carbonio è notevolmente superiore rispetto ai compositi non modificati”, affermano i ricercatori. “Al di sotto della soglia di percolazione, dove i compositi non modellati sono isolanti, i compositi realizzati con la messa a fuoco acustica hanno un’elevata conduttività, con un massimo del 98% delle fibre (in volume) che contribuiscono alla rete conduttiva.”

I ricercatori sottolineano che la conduttività trovata nei compositi modellati è “invariante dall’1 all’10 percento” e che l’attrito del volume critico non dipende dalla lunghezza della fibra.

“Questa tolleranza alla lunghezza della fibra e alle variazioni di carico suggerisce la libertà di controllare ortogonalmente altre proprietà del materiale, come rigidità, resistenza o conduttività termica, pur mantenendo un’elevata conduttività”, affermano i ricercatori.

Continuano a dimostrare come l’anisotropia del trasporto elettrico viene manipolata in compositi modellati, con conduttività parallela alle fibre di carbonio. Gli scienziati sottolineano che, modulando la spaziatura del fascio, sono stati in grado di controllare il comportamento di bridging, ottenendo il controllo della densità del percorso di trasporto. Tale controllo della spaziatura della linea significa che la conducibilità elettrica può essere modulata per proprietà anisotropiche o isotropiche, consentita “al volo” nella stampa 3D.

“Questa tecnologia versatile potrebbe aprire la strada alla stampa di componenti morbidi con interconnessioni elettriche integrate, possibilmente in aggiunta ad altre funzionalità integrate poiché le condizioni di conduttività sono clementi,” concludono i ricercatori. La natura agnostica materiale della focalizzazione acustica incoraggia l’estensione anche ad altre applicazioni, come materiali per la gestione termica, materiali di trasporto di massa / ioni, materiali elettroattivi e molti altri.

L’acustica e la stampa 3D si sono già incontrati prima nel processo tecnologico, dai gioielli soundwave ai metamateriali acustici e ai dati sonori , e gli ingegneri e gli scienziati di tutto il mondo continuano a sorprenderci con combinazioni innovative.

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