A medida que aumentan la complejidad y las aplicaciones de la fabricación aditiva, Los investigadores de Penn State están cavando hasta las escalas más pequeñas para optimizar la tecnología a nivel molecular.

"Todavía hay muchas incógnitas sobre cómo funciona realmente la impresión 3D, "dijo Adri van Duin, investigador principal del proyecto y profesor de ingeniería mecánica, Ingeniería Química, y ciencias de la ingeniería y mecánica en Penn State. "Para este proyecto, teorizamos que podrías aprender mucho observando las diversas moléculas con las que están operando ".

Un artículo publicado en el Física Química Física Química La revista detalla cómo los investigadores examinaron los métodos y materiales de fabricación aditiva utilizando simulaciones a escala atomística para optimizar su rendimiento y obtener componentes impresos en 3D más fuertes y útiles en última instancia.

"Bajamos al nivel más fundamental, mirando la química física y las fortalezas de estas interacciones moleculares, ", dijo van Duin.

Específicamente, su equipo examinó las reacciones que ocurren dentro de una solución de inyección de aglutinante utilizada para la impresión 3-D, que esencialmente actúa como el pegamento que une las capas impresas de materiales primarios.

"Quieres que el pegamento se organice en el espacio entre las nanopartículas, ", dijo van Duin." También es ideal si las moléculas todavía tienen la capacidad de moverse ".

Para los propósitos de este estudio, van Duin y su equipo crearon un marco computacional usando ReaxFF, un programa para modelar reacciones químicas atomísticas, estudiar nanopartículas de óxido de cromo, un metal comúnmente utilizado en la fabricación aditiva, y aglutinantes que contienen soluciones de dietilenglicol a base de agua que forman fuertes conexiones a través de una red de enlaces de hidrógeno.

"El diseño se centra en modificar estos componentes y examinar los impactos de las fases de temperatura para obtener la fuerza de unión óptima, al mismo tiempo que permite que las moléculas se muevan juntas en la superficie, ", dijo van Duin.

Después de que estas moléculas se unan con éxito, las altas temperaturas dentro de una impresora 3-D necesarias para curar y sinterizar esencialmente evaporan las moléculas orgánicas ahora innecesarias, manteniendo los óxidos metálicos fusionados en la pieza terminada. Según el marco computacional diseñado para el experimento, si estas temperaturas son demasiado altas, en cambio, puede quemar estos enlaces cruciales y provocar la descomposición de la pieza final.

Sin embargo, van Duin y el equipo de investigadores encontraron que al ajustar las cantidades de dietilenglicol y agua presentes en la solución aglutinante, podrían intensificar la aparición de fuertes enlaces de hidrógeno, lo que permitió que el material mezclado resistiera y prosperara a temperaturas más altas.

Si bien los resultados de este experimento han predicho la capacidad de mejorar la creación de piezas impresas en 3D utilizando partículas de óxido de cromo, la verdadera fuerza de esta investigación radica en los modelos computacionales. Con la creación de este marco, estos experimentos se pueden implementar para encontrar la química óptima del aglutinante, condiciones de curado y sinterización para cualquier material potencial que se pueda utilizar en la fabricación aditiva.

"Una vez que comprenda cómo se pueden formar enlaces fuertes, podemos aplicarlo a lo que queramos, ", dijo van Duin." Si queremos probar esto con péptidos, podemos simular eso ".

Los cálculos son económicos y se completan en un período de tiempo relativamente corto, lo que permite a los investigadores investigar y modelar nuevas moléculas orgánicas para ver qué métodos y materiales son más prometedores para las aplicaciones de fabricación aditiva.

La investigación es el resultado de una subvención inicial del Penn State Institute for Computational and Data Sciences (ICDS), anteriormente el Instituto de Ciberciencia, lo que demuestra la naturaleza interdisciplinaria intrínseca del campo de la fabricación aditiva.

Además, esta investigación reunió a van Duin y Guha Manogharan, profesor asistente de ingeniería mecánica e ingeniería industrial en Penn State, que se especializa en fabricación aditiva. Dado que muchos de sus proyectos trabajan extensamente con soluciones de inyección de ligante, Manogharan buscó mirar más allá de los límites tradicionales de las optimizaciones de fabricación.

"Este es un buen ejemplo de apoyo de institutos y centros complementarios dentro de Penn State donde la fuerza de mi laboratorio, el laboratorio SHAPE (sistemas para la fabricación aditiva híbrida), en fabricación aditiva, está perfectamente integrado con las sólidas capacidades de ICDS para explorar un área de investigación crítica pero inexplorada, "Dijo Manogharan.

Proporcionar una mayor comprensión de cómo se pueden modificar y mejorar las moléculas antes de que entren en una impresora 3D es un área en la que los investigadores ven una gran promesa.

"Al comprender el proceso a nanoescala, no tenemos que rediseñar una impresora, ", dijo Van Duin." Pero se puede acelerar enormemente la optimización de la fabricación ".