I ricercatori usano le conchiglie e la polvere di gesso per esperimenti di stampa 3D Binder Jet
È inevitabile che durante un viaggio verso l’oceano, raccoglierò e ammirerò alcune conchiglie dalla spiaggia e contemplerò di portarle a casa per esporle in un vaso di sabbia . A prescindere da quanto siano belle, la polvere che compone le conchiglie è in realtà un materiale bioceramico naturale che è stato utilizzato prima come ingrediente per produrre calcestruzzo leggero a bassa resistenza per applicazioni come le finitrici. Anche Carmen Brio, ha utilizzato le conchiglie marine in precedenza nella stampa 3D , usandole come riempitivo per il filamento FDM realizzato. Più tardi, anche gli studenti hanno creato filamenti da gusci muscolari . Ora un team collaborativo di ricercatori della Auckland University of Technology ( AUT ), Scion e della Germania Il Beckmann-Institut für Technologieentwicklung era curioso di utilizzare la polvere di conchiglia nella stampa 3D e ha pubblicato un documento intitolato ” Meccanismo di incollaggio in compositi ceramici a base di polvere a base di conchiglie utilizzati per la stampa 3D Binder-Jet ” che descrive il loro lavoro.
L’abstract dice: “Le risposte di stampa 3D Binder-jet di compositi ceramici a base di polvere di conchiglie marine sono state valutate considerando i meccanismi di consolidamento del materiale e le caratterizzazioni meccaniche. Le prime prove di stampa sperimentali sono eseguite manualmente, variando la composizione delle polveri composite dal 5% al 50% della polvere di conchiglia e l’intonaco residuo. Complessivamente, le combinazioni di conchiglie e intonaco hanno funzionato bene in termini di raggiungimento dei necessari punti di forza verdi all’interno delle condizioni del processo binder-jet. La microscopia elettronica a scansione e i risultati di flessione a 3 punti non hanno indicato alcuna significativa perdita di proprietà a livelli più bassi della componente di conchiglia, ma la forza è diminuita oltre la soglia del 25%. I livelli ottimali di polvere di conchiglia si trovano tra il 15-20% in peso in termini di migliori forze di compressione.
Poiché il binder-jetting è una tecnologia AM molto popolare per la ceramica, il team ha valutato il modo in cui una varietà di composizioni di polvere di conchiglia risponderà, evidenziando le “drastiche differenze nei meccanismi di impostazione” tra il calcestruzzo di costruzione civile e l’uso della stampa 3D di binder jet per generare forme complesse . Le applicazioni in strutture leggere e nella gestione dell’energia potrebbero aprirsi se siamo in grado di fabbricare parti porose con geometrie complesse.
“Mentre l’impostazione tradizionale del cemento richiede tempi più lunghi in giorni, la stampa 3D richiede un’impostazione istantanea poiché una certa quantità di forza verde è essenziale per essere acquisita in breve tempo, il braccio spazzante in polvere viene fornito con la corsa successiva. È essenziale che un meccanismo di consolidamento accelerato delle particelle sia in gioco, ottenendo la rapida forza verde richiesta per mantenere intatti i livelli precedentemente consolidati, mentre la spazzata diffonde lo strato successivo della polvere “, hanno scritto i ricercatori. “L’obiettivo di questo lavoro è stabilire come funzionano le polveri di conchiglia in queste condizioni.”
Il team ha completato le prove iniziali basate su polvere di conchiglia pulita, ma era inerte quando intorno all’umidità, che sicuramente non funzionerà – l’umidità è il meccanismo di innesco di base dei materiali di stampa 3D basati su intonaco. Così hanno creato invece materiali in polvere di ceramica in conchiglia di gesso con composizioni variabili e hanno valutato le risposte post-processo basate su caratterizzazioni meccaniche e microstrutturali.
I ricercatori hanno spiegato: “Il metodo di stampa 3D binder-jet viene utilizzato per tutte le prove di stampa 3D intraprese nell’ambito della ricerca corrente. I sistemi commerciali Z-Corp sono di solito le piattaforme per condurre tale ricerca. Questi sistemi sono attualmente sostituiti dalle versioni di progetto dei sistemi 3D, ma i principi di funzionamento sono gli stessi e, in particolare, la soluzione di rilegatura rimane più o meno la stessa. Considerando le complicazioni nella modifica delle soluzioni leganti, abbiamo utilizzato la stessa soluzione disponibile in commercio, che è equivalente alla Zb60 delle opzioni dei materiali di Z-Corp precedenti. Tutti gli esemplari costruiti come parte di questa ricerca sono basati sullo stesso fluido legante Zb60. Considerando la necessità di produrre grandi quantità di materiali per utilizzare la stampante attuale, tutte le prove sono eseguite in un approccio di stampa a getto di inchiostro simulato, in cui la polvere viene dispersa manualmente strato dopo strato in un contenitore di plastica, mentre il legante viene spruzzato attraverso una siringa. Si può notare che tutti i campioni sono preparati in base a disposizioni di stampa di tipo “make-shift” e disperdono manualmente il legante. Questo è difficile da calibrare e gli esperimenti sono principalmente intesi a valutare le risposte preliminari dei nuovi compositi in polvere all’elaborazione mediante il metodo del jet binder. “
Gli attributi principali di qualsiasi polvere di stampa 3D sono buone caratteristiche di diffusione, velocità di reazione e angoli di bagnatura. Il team ha valutato le polveri della conchiglia per queste prime, notando che il materiale assorbe rapidamente il materiale e cresce in modo irregolare, quindi non può essere distribuito nello strato sottile necessario per il getto del legante. Hanno osservato i tassi di reazione trattando campioni di polvere con quantità calcolate di colla liquida, e hanno determinato che la combinazione non aveva “meccanismi di reazione in gioco.” L’angolo di bagnatura della colla sulla superficie dipende anche da come interagisce con la polvere, come la colla il flusso sulla superficie della polvere non può essere contenuto.
“Sulla base di tutti questi risultati, è stato chiaro che la polvere di conchiglia da sola non può essere un materiale candidato per la stampa 3D con il metodo binder-jet”, hanno dichiarato i ricercatori.
“Evidentemente, tutti e tre gli aspetti fondamentali richiesti a un candidato materiale per la stampa 3D non sono naturalmente disponibili con la polvere di conchiglia e devono essere corretti aggiungendo altri ingredienti. Dopo aver provato diverse alternative, la polvere di gesso è stata identificata come una buona combinazione per formare il composito polvere-ceramica della conchiglia che si qualifica attraverso tutti questi tre test “.
“La colla del legante è presa in una siringa e depositata sugli strati manualmente. I campioni rettangolari sono preparati per i test di flessione in 3 punti “, hanno scritto i ricercatori. “Per ogni strato, la quantità necessaria di polvere depositata sul substrato e quindi distribuita uniformemente usando una spatola di legno, mantenendo lo spessore dello strato di circa 1 mm. Quindi una quantità calcolata del fluido legante viene aggiunta allo strato che sposta la siringa in un modello di tracciato a zig-zag. Il processo viene ripetuto per creare dieci strati e una volta stampati tutti gli strati, i campioni vengono lasciati asciugare per almeno 6 ore prima di eliminarli. “
Sono state scattate fotomicrografie SEM dei campioni stampati in 3D, l’analisi EDS è stata completata al fine di “convalidare le osservazioni” sulla crescita e formazione di cristalli di gesso e dispersione di polvere di conchiglia, ed i ricercatori hanno anche eseguito analisi puntuale per “accertare le previsioni intorno alla dispersione della polvere di conchiglia all’interno della rete di cristalli di gesso. “Infine, hanno sottoposto i blocchi rettangolari stampati in 3D, fabbricati con una varietà di composizioni, a prove di piegatura a tre punti al fine di determinare le proprietà meccaniche, e hanno scoperto che il campione di gesso puro stampato in 3D ha la migliore resistenza alla compressione massima. È interessante notare che l’aggiunta di polvere di conchiglia ha effettivamente contribuito a deteriorare questa resistenza, che ovviamente non è l’obiettivo.
“In generale, le combinazioni di polvere e intonaco seashell si sono rivelate adatte per la stampa 3D con il processo binder-jet. Tuttavia, la polvere di conchiglia non ha alcuna reattività o meccanismo intrinseco per migliorare la forza di legame “, hanno concluso i ricercatori. “Rimarrà nella rete di cristalli della fase del gesso e non deteriorerà le proprietà meccaniche fino al 15-20% in peso. Oltre a ciò, le resistenze a compressione saranno troppo basse e i campioni stampati saranno troppo fragili. La possibilità di includere fino al 20% in peso della polvere di conchiglia è di per sé una scoperta interessante dato che il composito in polvere porta un tocco biologico nel sistema di materiali e ticchetta anche le scatole con la sostenibilità “.
Co-autori del documento sono S. Singamneni, MP Behera, Morgan Le Guen e Henning Zeidler.
