E’ possibile produrre rapidamente parti complesse a basso costo utilizzando la stampa 3D con modellazione di deposizione fusa (FDM), i polimeri prontamente disponibili sono piuttosto deboli e le stampe 3D completate presentano una scarsa adesione. Secondo un gruppo di ricerca ETH di Zurigo specializzato in materiali complessi di stampa 3D, questo è uno dei motivi per cui FDM non viene utilizzato con successo per fabbricare prodotti commerciali.
Le prestazioni dei polimeri sono state tradizionalmente aumentate aggiungendo fibre forti, rigide e continue nel materiale, come il vetro o il carbonio, ma ci vuole un sacco di tempo, sforzi e costose attrezzature per sviluppare questi materiali compositi, che sono anche difficili da riciclare. Ma i ricercatori hanno sviluppato un approccio bio-ispirato ai materiali polimerici a cristalli liquidi riciclabili con stampa 3D (LCP) usando i sistemi desktop FDM.
Secondo un comunicato stampa, “Per la prima volta, i ricercatori del gruppo di materiali complessi e del gruppo di materiali molli all’ETH di Zurigo, sono stati in grado di stampare oggetti da un singolo materiale riciclabile con proprietà meccaniche che superano tutti gli altri polimeri stampabili disponibili e possono competere anche con materiali compositi rinforzati con fibre. ”
Durante lo sviluppo, il team è stato ispirato da due materiali trovati in natura: legno e seta di ragno , il secondo dei quali ha ispirato altre innovazioni di stampa 3D in passato. Le proteine della seta del materiale hanno un alto grado di allineamento molecolare lungo le direzioni delle fibre, che conferisce alla seta ragno le sue “proprietà meccaniche senza eguali”.
Campioni di campioni stampati in 3D con linee di stampa che seguono le linee di tensione e l’ispirazione biologica rappresentata da un nodo di legno.
I ricercatori sono stati in grado di duplicare questo allineamento elevato durante l’estrusione utilizzando un LCP come materiale di materia prima FDM. Questo ha dato al materiale eccellenti proprietà meccaniche nella direzione di deposizione. Inoltre, le proprietà della fibra anisotrope sono stati messi a buon uso “adattando l’orientamento locale del percorso di stampa in base alle condizioni di carico specifiche imposte dall’ambiente”, che si ispira come tessuti vivi, come il legno, può organizzare fibre lungo la sua linee di stress mentre cresce e si adatta al suo ambiente circostante.
Il team ha pubblicato un articolo sul loro lavoro con gli LCP forti di stampa 3D, intitolato ” Stampa tridimensionale di strutture gerarchiche a cristalli liquidi polimerici “, nel diario di Nature .
L’abstract dice: “Le strutture polimeriche rinforzate con fibre sono spesso utilizzate quando sono richiesti materiali leggeri rigidi, come ad esempio negli aerei, veicoli e impianti biomedici. Nonostante la loro rigidità e resistenza molto elevate, tali materiali leggeri richiedono processi di fabbricazione intensivi di energia e lavoro, presentano fratture generalmente fragili e sono difficili da modellare e riciclare. Ciò è in netto contrasto con i materiali biologici leggeri come l’osso, la seta e il legno, che si formano attraverso l’autoassemblaggio diretto in forme complesse gerarchicamente strutturate con eccellenti proprietà meccaniche e sono integrate in modo circolare nell’ambiente. Qui dimostriamo un approccio di stampa tridimensionale (3D) per generare strutture leggere riciclabili con architetture gerarchiche, geometrie complesse e rigidità e tenacità senza precedenti. Le loro caratteristiche derivano dall’autoassemblaggio di molecole polimeriche a cristalli liquidi in domini altamente orientati durante l’estrusione del materiale di materia prima fuso. Orientando i domini molecolari con il percorso di stampa, siamo in grado di rinforzare la struttura del polimero secondo le sollecitazioni meccaniche previste, portando a rigidità, resistenza e tenacità che superano i polimeri stampati 3D di ultima generazione di un ordine di grandezza e sono paragonabili ai materiali compositi leggeri dalle prestazioni più elevate. La possibilità di combinare la libertà di modellazione top-down della stampa 3D con il controllo molecolare bottom-up sull’orientamento del polimero offre la possibilità di progettare e realizzare liberamente strutture senza le restrizioni tipiche degli attuali processi di produzione. ” Orientando i domini molecolari con il percorso di stampa, siamo in grado di rinforzare la struttura del polimero secondo le sollecitazioni meccaniche previste, portando a rigidità, resistenza e tenacità che superano i polimeri stampati 3D di ultima generazione di un ordine di grandezza e sono paragonabili ai materiali compositi leggeri dalle prestazioni più elevate. La possibilità di combinare la libertà di modellazione top-down della stampa 3D con il controllo molecolare bottom-up sull’orientamento del polimero offre la possibilità di progettare e realizzare liberamente strutture senza le restrizioni tipiche degli attuali processi di produzione. ” Orientando i domini molecolari con il percorso di stampa, siamo in grado di rinforzare la struttura del polimero secondo le sollecitazioni meccaniche previste, portando a rigidità, resistenza e tenacità che superano i polimeri stampati 3D di ultima generazione di un ordine di grandezza e sono paragonabili ai materiali compositi leggeri dalle prestazioni più elevate. La possibilità di combinare la libertà di modellazione top-down della stampa 3D con il controllo molecolare bottom-up sull’orientamento del polimero offre la possibilità di progettare e realizzare liberamente strutture senza le restrizioni tipiche degli attuali processi di produzione. ” resistenza e robustezza che superano i polimeri stampati 3D di ultima generazione di un ordine di grandezza e sono paragonabili ai materiali compositi leggeri dalle prestazioni più elevate. La possibilità di combinare la libertà di modellazione top-down della stampa 3D con il controllo molecolare bottom-up sull’orientamento del polimero offre la possibilità di progettare e realizzare liberamente strutture senza le restrizioni tipiche degli attuali processi di produzione. ” resistenza e robustezza che superano i polimeri stampati 3D di ultima generazione di un ordine di grandezza e sono paragonabili ai materiali compositi leggeri dalle prestazioni più elevate. La possibilità di combinare la libertà di modellazione top-down della stampa 3D con il controllo molecolare bottom-up sull’orientamento del polimero offre la possibilità di progettare e realizzare liberamente strutture senza le restrizioni tipiche degli attuali processi di produzione. ”
I materiali del team, oltre ad essere più facilmente riciclabili, sono molto più forti dei tipici polimeri compositi stampati in 3D e non sono altrettanto difficili da fabbricare. Ciò significa che ora dovrebbe essere possibile stampare in 3D strutture FDM per uso industriale come parti strutturali leggere.
“Poiché la ricerca è stata condotta utilizzando un polimero facilmente disponibile e una stampante desktop commerciale, dovrebbe essere facile per la più ampia produzione additiva e comunità open source adottare questo nuovo materiale e progettare digitalmente e fabbricare oggetti leggeri e complessi dagli LCP” afferma il comunicato stampa dell’ETH di Zurigo. “Pertanto, si prevede che la tecnologia cambierà il proprio corso in diverse applicazioni strutturali, biomediche e di raccolta dell’energia e, infine, consentirà la produzione di complesse parti stampate in FDM che imitano i progetti strutturali naturali da fabbricare per il mercato di massa”.
Co-autori del giornale sono Silvan Gantenbein, Kunal Masania, Wilhelm Woigk, Jens PW Sesseg, Theo A. Tervoort e André R. Studart.