La fabbricazione di complesse strutture in ceramica o vetro tramite stereolitografia, un tipo di stampa 3D, è stato a lungo trattenuto dal tempo trascorso alla fine del processo, che può durare fino a due giorni. Una nuova tecnica ora riduce questo tempo a meno di cinque ore.

La stereolitografia stampa oggetti da file CAD da una polvere sospesa in un liquido. Gli oggetti vengono costruiti strato dopo strato da questo liquido facendo brillare un laser nella sospensione liquida e in polvere, che si chiama colloide. (Latte, Per esempio, è anche un colloide, ma uno fatto di grassi di latte sospesi in acqua)

Il laser fa sì che alcune delle particelle sensibili alla luce si uniscano tra loro, o "collegamento incrociato, " e formano strati fatti di particelle incorporate in polimeri (lunghe catene di molecole) - un processo di indurimento chiamato "polimerizzazione". Il laser in effetti "scrive" strati nella sospensione liquida, e questi strati, stampati uno sopra l'altro, formare un oggetto 3-D composto dal legante e dalla polvere.

La stereolitografia in ceramica o vetro ha il potenziale per fabbricare parti con geometrie molto più accurate e complesse che prima erano impossibili, compresi oggetti cavi o con strutture interne intricate che possono ridurre il peso pur mantenendo la forza. Tale complessità del design della ceramica e del vetro offre una serie di nuove tecnologie biomediche, strutturale, e applicazioni del sistema energetico.

L'oggetto guarito, definito "verde" una volta stampato, è sottoposto ad un paio di ulteriori fasi ad alta temperatura:deceraggio, o rimozione dei suoi agenti leganti; e sinterizzazione, in cui le particelle di polvere sono fuse saldamente insieme. Dopo il debinding, l'oggetto è chiamato "marrone, " e il prodotto finito può essere ottenuto dopo la sinterizzazione.

Però, al fine di evitare il collasso strutturale durante questo processo a causa della produzione di bolle di gas che potrebbero frantumare la ceramica o il vetro, forte ma fragile, il deceraggio e la sinterizzazione vengono eseguiti molto lentamente, in genere richiede fino a 48 ore.

"Fino ad ora, questo vincolo dispendioso in termini di tempo e denaro ha limitato le parti in vetro e ceramica stampate in 3D ad applicazioni altamente specializzate, " disse Motoyuki Iijima, un ricercatore di ingegneria presso la Yokohama National University, il cui team ha sviluppato una nuova ricetta colloidale che riduce drasticamente il tempo necessario per il deceraggio e la sinterizzazione.

"Quello che vuoi invece è avvicinarti alla velocità della produzione convenzionale del vetro o della ceramica, ma combinato con la complessità offerta dalla stampa 3D e da processi di produzione additiva simili".

Il team di ricerca ha pubblicato i risultati sulla rivista Materiali di comunicazione il 20 maggio.

Per dimostrare il loro concetto di ricetta, i ricercatori volevano produrre vetro trasparente. Questa particolare ricetta colloidale prende particelle di silice (SiO ₂ ) che sono stati modificati con polietilenimmina (un tipo di polimero) e acido oleico, un tipo di acido grasso che si trova in molti grassi o oli animali e vegetali. Queste particelle vengono quindi miscelate in un solvente a base alcolica insieme a un fotoiniziatore, l'ingrediente della ricetta che è sensibile alla luce e avvia la stagionatura.

In modo cruciale, la ricetta consente anche una quantità di monomeri inferiore al normale, le particelle che effettuano la reticolazione, rispetto alla stereolitografia convenzionale su vetro e ceramica, e incoraggia una maggiore reticolazione da parte di altre particelle.

Normalmente, la grande quantità di monomeri richiede il lento processo di deceraggio e sinterizzazione, perché una rapida combustione dei monomeri genererebbe il gas che minaccia la struttura dell'oggetto. Utilizzando solo piccole quantità di monomeri nel colloide, i ricercatori sono riusciti a ridurre il tempo di deceraggio e sinterizzazione a meno di cinque ore.

Dopo aver dimostrato la velocità di questo processo per il vetro trasparente, i ricercatori ora vogliono estendere la ricetta della sospensione liquida, con il suo breve tempo di elaborazione, a qualsiasi tipo di ceramica o vetro.