Con l'aumento della complessità e delle applicazioni della produzione additiva, I ricercatori della Penn State stanno scavando fino alle scale più piccole per ottimizzare la tecnologia a livello molecolare.

"Ci sono ancora molte incognite su come funziona effettivamente la stampa 3D, " disse Adri van Duin, ricercatore principale del progetto e professore di ingegneria meccanica, Ingegneria Chimica, e ingegneria e meccanica alla Penn State. "Per questo progetto, abbiamo teorizzato che potresti imparare molto osservando le varie molecole con cui stanno operando."

Un articolo pubblicato su Chimica Fisica Fisica Chimica Journal descrive in dettaglio come i ricercatori hanno esaminato metodi e materiali di produzione additiva utilizzando simulazioni su scala atomica per ottimizzare le loro prestazioni per componenti stampati in 3D in definitiva più forti e più utili.

"Siamo scesi al livello più fondamentale, guardando la chimica fisica e i punti di forza di queste interazioni molecolari, " ha detto Van Duin.

Nello specifico, il suo team ha esaminato le reazioni che si verificano all'interno di una soluzione di getto di legante utilizzata per la stampa 3D, che funge essenzialmente da collante che lega insieme gli strati stampati dei materiali primari.

"Vuoi che la colla si organizzi nello spazio tra le nanoparticelle, " ha detto van Duin. "È anche l'ideale se le molecole hanno ancora la capacità di muoversi".

Ai fini di questo studio, van Duin e il suo team hanno creato un framework computazionale utilizzando ReaxFF, un programma per la modellazione di reazioni chimiche atomistiche, studiare le nanoparticelle di ossido di cromo, un metallo comunemente usato nella produzione additiva, e leganti contenenti soluzioni di glicole dietilenico a base acquosa che formano forti connessioni attraverso una rete di legami idrogeno.

"L'obiettivo della progettazione è modificare questi componenti ed esaminare gli impatti delle fasi di temperatura per ottenere la forza di legame ottimale, consentendo anche alle molecole di muoversi insieme sulla superficie, " ha detto Van Duin.

Dopo che queste molecole sono state legate insieme con successo, le alte temperature all'interno di una stampante 3D necessarie per l'indurimento e la sinterizzazione essenzialmente fanno evaporare le molecole organiche ora non necessarie, mantenendo gli ossidi metallici fusi nel pezzo finito. Secondo il framework computazionale progettato per l'esperimento, se queste temperature sono troppo alte, può invece bruciare questi legami cruciali e provocare una decomposizione del pezzo finale.

Però, van Duin e il team di ricercatori hanno scoperto che modificando le quantità di glicole dietilenico e acqua presenti nella soluzione del legante, potrebbero intensificare il verificarsi di forti legami idrogeno, che ha permesso al materiale misto di resistere e prosperare a temperature più elevate.

Mentre i risultati di questo esperimento hanno previsto la capacità di migliorare la creazione di parti stampate in 3D utilizzando particelle di ossido di cromo, la vera forza di questa ricerca risiede nei modelli computazionali. Con la creazione di questo quadro, questi esperimenti possono essere utilizzati per trovare la chimica del legante ottimale, condizioni di polimerizzazione e sinterizzazione per qualsiasi potenziale materiale che può essere utilizzato nella produzione additiva.

"Una volta capito come si possono formare legami forti, possiamo applicarlo a tutto ciò che vogliamo, " ha detto van Duin. "Se vogliamo provare questo con i peptidi, possiamo simularlo."

I calcoli sono poco costosi e completati in un lasso di tempo relativamente breve, che consente ai ricercatori di studiare e modellare nuove molecole organiche per vedere quali metodi e materiali sono più promettenti per le applicazioni di produzione additiva.

La ricerca è il risultato di un seed grant del Penn State Institute for Computational and Data Sciences (ICDS), ex Institute for CyberScience, che dimostra l'intrinseca natura interdisciplinare del campo della manifattura additiva.

Inoltre, questa ricerca ha riunito van Duin e Guha Manogharan, assistente professore di ingegneria meccanica e ingegneria industriale alla Penn State, specializzato nella produzione additiva. Poiché molti dei suoi progetti lavorano ampiamente con soluzioni di getto di leganti, Manogharan ha cercato di guardare oltre i confini tradizionali delle ottimizzazioni di produzione.

"Questo è un buon esempio di sostegno da parte di istituti e centri complementari all'interno di Penn State, dove la forza del mio laboratorio, lo SHAPE Lab (Sistemi per la produzione additiva ibrida), nella produzione additiva, è perfettamente integrato con le forti capacità dell'ICDS di esplorare un'area di ricerca inesplorata ma critica, " ha detto Manoghara.

Fornire ulteriori informazioni su come le molecole possono essere modificate e migliorate prima che entrino in una stampante 3D è un'area in cui i ricercatori vedono grandi promesse.

"Capendo il processo su scala nanometrica, non dobbiamo riprogettare una stampante, " ha detto van Duin. "Ma è possibile accelerare notevolmente l'ottimizzazione della produzione".