La stampa 3D ha cambiato il mondo. Ha consentito ai settori aerospaziale, medico, automobilistico, manifatturiero e a molti altri di personalizzare parti e prototipi in modi mai possibili prima. Ha aumentato drasticamente la flessibilità e l’efficacia dei costi riducendo al contempo gli sprechi e i tempi di produzione. Ma molti materiali stampati in 3D non sono i più resistenti.
Un team di chimici e scienziati dei materiali a Sandia spera di cambiare la situazione. Hanno sviluppato un nuovo processo di stampa che stampa materiali non metallici più resistenti in tempi record, cinque volte più velocemente della tradizionale stampa 3D.
"Apre un mondo completamente nuovo su cosa è possibile costruire e per cosa possono essere utilizzati i materiali 3D", ha affermato lo scienziato dei materiali Samuel Leguizamon.
Ha guidato il team che ha sviluppato SWOMP, che sta per Selective Dual-Wavelength Olefin Metathesis 3D-Printing. Come indicato dal nome, utilizza la luce a doppia lunghezza d'onda, a differenza del processo di stampa tradizionale.
Tradizionalmente, la stampa 3D in vasca viene eseguita irradiando una vasca di resina liquida fotosensibile secondo il modello desiderato.
Quando la resina viene esposta alla luce proveniente da sotto la vasca, la resina polimerizza e si indurisce formando uno strato polimerico. Il polimero indurito viene quindi sollevato e al di sotto viene proiettato un nuovo motivo per polimerizzare gli strati successivi.
Una sfida:quando il polimero polimerizza, aderisce allo strato precedente e al fondo della vasca. Dopo ogni strato, il polimero indurito deve essere rimosso lentamente dalla vasca per evitare danni, rallentando in modo significativo il processo di stampa 3D.
La collega creatrice Leah Appelhans ha detto che è un po' come cuocere i biscotti. "Dopo aver cotto i biscotti, devi lasciarli raffreddare. Se provassi a staccare il biscotto caldo dalla teglia, sarebbe molle e si romperebbe. La stessa cosa accadrebbe con una stampante 3D se provassi a stampa ogni strato. Il tuo lavoro si deformerebbe."
Samuel, Leah, l'ex Sandian Jeff Foster e lo scienziato dei polimeri Alex Commisso hanno escogitato un modo per raffreddare i "biscotti" più velocemente.
La chiave è combinare due luci. In questo caso, luce ultravioletta e blu.
Il team si è ispirato a una tecnica nota come stampa continua con interfaccia liquida insieme a un approccio di stampa che utilizza luce a doppia lunghezza d'onda per polimerizzazioni a base acrilica.
Con esso, hanno creato SWOMP.
"Stai ancora stampando strato per strato, ma stai utilizzando una seconda lunghezza d'onda della luce per impedire la polimerizzazione sul fondo della vasca. Quindi non aderisce al fondo", ha detto Samuel. "Ciò significa che puoi sollevare la parte polimerica indurita più rapidamente e accelerare notevolmente il processo di stampa."
Ma questo nuovo processo non è solo una questione di efficienza. Si tratta di rendere i materiali stampati in 3D più resistenti e più versatili. La maggior parte dei materiali stampati con polimerizzazione in vasca sono a base acrilica, non il materiale più resistente.
"È davvero difficile utilizzare questi materiali in settori quali gli aerei, lo spazio, l'aerospaziale e il settore automobilistico. Sono ambienti molto difficili", ha affermato Bob Sleeper, responsabile delle licenze di Sandia.
Questo team si è rivolto al materiale diciclopentadiene, comunemente utilizzato nella produzione di pitture, vernici e ritardanti di fiamma per la plastica. Sono stati in grado di sviluppare un modo per polimerizzarlo più rapidamente con la luce in modo che possa essere utilizzato in modo più efficiente nella stampa 3D.
"Abbiamo cambiato gli elementi costitutivi dei materiali da a base acrilica a a base di olefine", ha affermato Samuel. "Il che ci consente di stampare materiali molto più resistenti."
"Questa è la bellezza di ciò che stanno facendo", ha detto Bob. "Ci sono parti in plastica di altissima qualità realizzate in modo molto preciso utilizzando la luce in un modo davvero innovativo."
Questo team spera che il nuovo processo di stampa apra il mondo della stampa 3D.
"Quello che stiamo cercando di fare è costruire la cassetta degli attrezzi dei materiali disponibili", ha detto Leah. "Vogliamo che designer, ricercatori, ingegneri possano selezionare il tipo di materiale che desiderano utilizzare."
Un giorno sperano di vedere queste parti stampate in 3D in razzi, motori, batterie e forse anche in applicazioni di fusione. Samuel ha detto che stanno già parlando con i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory per esplorare le applicazioni. "Si scopre che i monomeri sono già utilizzati nei componenti di fusione. Di solito non si pensa a un polimero utilizzato nella fusione, ma ha un potenziale davvero interessante ed entusiasmante."
Il team vede anche un mondo in cui la stampa 3D può essere eseguita più facilmente in aree remote. "Stiamo esaminando luoghi in cui macchinari e parti non sono prontamente disponibili; come nello spazio, sulla Luna o in Medio Oriente in una base militare americana", ha detto Bob. "Puoi portare con te dei materiali leggeri e realizzare sul posto tutto ciò di cui hai bisogno."
Anche Samuel, cresciuto nella piccola città di Wagener, nella Carolina del Sud, sta pensando ad applicazioni che potrebbero aiutare più vicino a casa.
"Ho dei cavalli. Sono cresciuto in una zona rurale, mio padre era un maniscalco, quindi sto pensando a come realizzare ferri di cavallo per i cavalli da corsa. Devono essere resistenti agli urti, ma modificando le proprietà del materiale, lo stress può essere ridotto. meglio stesi e impattanti nello spazio giusto sullo zoccolo Potresti pensarli come solette per cavalli."
Le possibilità sono infinite.
"Penso che ciò che mi ha attratto verso la chimica in primo luogo sia il potenziale di creare qualcosa che non è mai esistito prima", ha detto Leah. "La cosa divertente della stampa 3D è che applichi la conoscenza chimica a qualcosa che ha un risultato molto concreto. Qualcosa che puoi vedere e tenere tra le mani."
Fornito da Sandia National Laboratories
