Conforme a complexidade e as aplicações da manufatura aditiva aumentam, Os pesquisadores da Penn State estão se aprofundando nas menores escalas para otimizar a tecnologia em nível molecular.

"Ainda há muitas incógnitas sobre como a impressão 3D realmente funciona, "disse Adri van Duin, investigador principal do projeto e professor de engenharia mecânica, engenheiro químico, e ciência da engenharia e mecânica na Penn State. "Para este projeto, teorizamos que você poderia aprender muito observando as várias moléculas com as quais eles operam. "

Um artigo publicado no Físico Química Física Química O jornal detalha como os pesquisadores examinaram os métodos e materiais de manufatura aditiva usando simulações em escala atomística para otimizar seu desempenho para componentes impressos em 3D mais fortes e úteis.

"Descemos ao nível mais fundamental, olhando para a físico-química e os pontos fortes dessas interações moleculares, "disse van Duin.

Especificamente, sua equipe examinou as reações que ocorrem dentro de uma solução de jato de aglutinante usada para impressão 3-D, que atua essencialmente como a cola que une as camadas impressas de materiais primários.

"Você quer que a cola se organize no espaço entre as nanopartículas, "Van Duin disse." Também é ideal se as moléculas ainda tiverem a capacidade de se mover. "

Para os fins deste estudo, van Duin e sua equipe criaram uma estrutura computacional usando ReaxFF, um programa para modelar reações químicas atomísticas, para estudar nanopartículas de óxido de cromo, um metal comumente usado na fabricação de aditivos, e ligantes contendo soluções de dietilenoglicol à base de água que formam fortes conexões por meio de uma rede de ligações de hidrogênio.

"O foco do projeto é modificar esses componentes e examinar os impactos das fases de temperatura para obter a resistência de ligação ideal, ao mesmo tempo que permite que as moléculas se movam juntas na superfície, "disse van Duin.

Depois que essas moléculas se ligam com sucesso, as altas temperaturas dentro de uma impressora 3-D necessárias para curar e sinterizar essencialmente evapora as moléculas orgânicas agora desnecessárias, enquanto mantém os óxidos de metal fundidos na peça acabada. De acordo com a estrutura computacional projetada para o experimento, se essas temperaturas forem muito altas, em vez disso, pode queimar essas ligações cruciais e resultar na decomposição da peça final.

Contudo, van Duin e a equipe de pesquisadores descobriram que ajustando as quantidades de dietilenoglicol e água presentes na solução aglutinante, eles podem intensificar a ocorrência de fortes ligações de hidrogênio, o que permitiu que o material misturado resistisse e prosperasse sob temperaturas mais altas.

Embora os resultados deste experimento tenham previsto a capacidade de aprimorar a criação de peças impressas em 3-D usando partículas de óxido de cromo, a verdadeira força desta pesquisa está nos modelos computacionais. Com a criação desta estrutura, esses experimentos podem ser implantados para encontrar a química de aglutinante ideal, condições de cura e sinterização para quaisquer materiais potenciais que podem ser usados ​​na fabricação de aditivos.

"Depois de entender como ligações fortes podem ser formadas, podemos aplicá-lo a qualquer coisa que quisermos, "disse van Duin." Se quisermos tentar isso com peptídeos, podemos simular isso. "

Os cálculos são baratos e concluídos em um período de tempo relativamente curto, que permite aos pesquisadores investigar e modelar novas moléculas orgânicas para ver quais métodos e materiais são mais promissores para aplicações de manufatura aditiva.

A pesquisa é o resultado de uma bolsa do Penn State Institute for Computational and Data Sciences (ICDS), anteriormente o Institute for CyberScience, o que demonstra a natureza interdisciplinar intrínseca do campo da manufatura aditiva.

Além disso, esta pesquisa reuniu van Duin e Guha Manogharan, professor assistente de engenharia mecânica e engenharia industrial na Penn State, que é especialista em manufatura aditiva. Uma vez que muitos de seus projetos trabalham extensivamente com soluções de jateamento de aglutinante, Manogharan procurou olhar além dos limites tradicionais das otimizações de fabricação.

"Este é um bom exemplo de apoio de institutos e centros complementares dentro da Penn State, onde a força do meu laboratório, o Laboratório SHAPE (Sistemas para Fabricação de Aditivos Híbridos), na manufatura aditiva, está perfeitamente integrado com os fortes recursos do ICDS para explorar uma área de pesquisa desconhecida, mas crítica, "Manogharan disse.

Fornecer maior compreensão de como as moléculas podem ser modificadas e aprimoradas antes mesmo de entrarem em uma impressora 3-D é uma área onde os pesquisadores vêem uma grande promessa.

"Ao compreender o processo em nanoescala, não temos que reprojetar uma impressora, "van Duin disse." Mas você pode acelerar muito a otimização da fabricação. "