I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia hanno progettato un nuovo polimero per legare e rafforzare la sabbia silicea per la produzione di additivi a getto di legante, un metodo di stampa 3D utilizzato dalle industrie per la prototipazione e la produzione di parti.
Il polimero stampabile consente strutture di sabbia con geometrie complesse e resistenza eccezionale ed è anche solubile in acqua.
Lo studio, pubblicato su Nature Communications , dimostra un ponte di sabbia stampato in 3D che a 6,5 centimetri può contenere 300 volte il proprio peso, un’impresa analoga a 12 Empire State Building seduti sul ponte di Brooklyn.
Il processo di stampa a getto di legante è più economico e veloce rispetto ad altri metodi di stampa 3D utilizzati dall’industria e consente di creare strutture 3D da una varietà di materiali in polvere, offrendo vantaggi in termini di costi e scalabilità. Il concetto deriva dalla stampa a getto d’inchiostro, ma invece di utilizzare l’inchiostro, la testina della stampante emette un polimero liquido per legare un materiale in polvere, come la sabbia, creando un design 3D strato dopo strato. Il polimero legante è ciò che conferisce alla sabbia stampata la sua forza.
Il team ha utilizzato l’esperienza dei polimeri per personalizzare un legante polietilenico, o PEI, che ha raddoppiato la resistenza delle parti in sabbia rispetto ai leganti convenzionali.
Le parti stampate tramite getto di legante sono inizialmente porose quando vengono rimosse dal piano di stampa. Possono essere rafforzati infiltrando il disegno con un ulteriore materiale super-colla chiamato cianoacrilato che riempie gli spazi vuoti. Questa seconda fase ha fornito un aumento della resistenza di otto volte rispetto alla prima fase, rendendo un composito di sabbia polimerica più resistente di qualsiasi altro materiale da costruzione noto, compresa la muratura.
“Pochi polimeri sono adatti a fungere da legante per questa applicazione. Cercavamo proprietà specifiche, come la solubilità, che ci dessero il miglior risultato. La nostra scoperta chiave è stata nella struttura molecolare unica del nostro legante PEI che lo rende reattivo con il cianoacrilato per ottenere una forza eccezionale”, ha affermato Tomonori Saito dell’ORNL, ricercatore capo del progetto.
Le parti formate con leganti convenzionali sono rese più dense con materiali infiltrati, come la super colla, ma nessuna ha raggiunto le prestazioni del legante PEI. L’impressionante forza del legante PEI deriva dal modo in cui il polimero reagisce per legarsi al cianoacrilato durante l’indurimento.
Una potenziale applicazione per la sabbia super-resistente è l’avanzamento degli utensili per la produzione di compositi.
La sabbia silicea è un materiale economico e facilmente disponibile che sta guadagnando interesse nei settori automobilistico e aerospaziale per la creazione di parti composite. I materiali leggeri, come la fibra di carbonio o la fibra di vetro, sono avvolti attorno ad anime di sabbia stampate in 3D, o “strumenti”, e polimerizzati con il calore. La sabbia silicea è attraente per gli utensili perché non cambia le dimensioni quando riscaldata e perché offre un vantaggio unico negli utensili lavabili. Nelle applicazioni composite, l’uso di un legante solubile in acqua per formare strumenti di sabbia è significativo perché consente una semplice fase di lavaggio con acqua di rubinetto per rimuovere la sabbia, lasciando una forma composita cava.
“Per garantire la precisione nelle parti degli utensili, è necessario un materiale che non cambi forma durante il processo, motivo per cui la sabbia silicea è stata promettente. La sfida è stata superare la debolezza strutturale delle parti in sabbia”, ha affermato Dustin Gilmer, uno studente del Bredesen Center dell’Università del Tennessee e autore principale dello studio.
Gli attuali stampi e anime per la colata in sabbia hanno un uso industriale limitato perché i metodi commerciali, come gli strumenti di lavaggio, applicano calore e pressione che possono causare la rottura o il fallimento delle parti in sabbia al primo tentativo. Sono necessarie parti in sabbia più resistenti per supportare la produzione su larga scala e consentire una rapida produzione delle parti.
“Il nostro composito di sabbia polimerica ad alta resistenza eleva la complessità delle parti che possono essere realizzate con metodi a getto di legante, consentendo geometrie più complesse e amplia le applicazioni per la produzione, gli utensili e la costruzione”, ha affermato Gilmer.
Il nuovo legante ha vinto un premio R&D 100 Award 2019 ed è stato autorizzato dal partner industriale ExOne per la ricerca.
L’articolo della rivista è pubblicato come “Produzione additiva di forti strutture di sabbia silicea consentite dal legante polietilenico”.
