Il processo di stampa 3D HIAM
Un nuovo e molto insolito processo di stampa 3D, “HIAM”.
“HIAM” sta per “Hydrogel Infusion Additive Manufacturing” ed è stato sviluppato dai ricercatori del CalTech di Pasadena, in California. Questo è un processo di stampa diverso da qualsiasi altro.Il problema che i ricercatori stavano cercando di superare erano una serie di sfide che devono affrontare gli attuali processi di stampa 3D in metallo. Questi processi esistenti sono in genere costosi, hanno una risoluzione limitata, richiedono un’estesa post-elaborazione e necessitano di ambienti completi controllati dall’aria.
Alcuni di questi limiti e vincoli vengono superati con processi diversi dal processo più comune, LPBF, ma quasi sempre la risoluzione è inferiore o sono presenti altri vincoli.
Processo HIAM
HIAM è molto diverso da qualsiasi altro processo di cui ho sentito parlare. Invece di stampare direttamente il metallo in 3D, viene prodotta un’impalcatura in idrogel.
Un idrogel è un polimero di incredibile leggerezza e trasparenza. Sono spesso utilizzati in applicazioni sanitarie grazie alla loro eccezionale biocompatibilità.
In HIAM, l’idrogel non viene stampato direttamente in 3D. Invece, i ricercatori hanno stampato in 3D organogel progettati utilizzando una configurazione di stampa 3D DLP più o meno standard. La resina è drogata con fotoiniziatori, che la rendono suscettibile alla luce UV del DLP.
Una volta stampate, utilizzano uno scambio chimico di solventi per scambiare la N-dimetilformammide nella resina con l’acqua, trasformando il materiale della struttura 3D in un vero idrogel.
Il processo di stampa 3D HIAM [Fonte: Nature]
Quindi avviene il passaggio interessante: queste strutture di idrogel vengono immerse in una soluzione di precursore di sale metallico, che consente agli ioni metallici di penetrare in profondità nell’idrogel, che è un materiale estremamente poroso. Si formano ossidi metallici, che vengono poi trasformati in metallo mediante l’applicazione di gas ad alta temperatura, con le temperature
Durante questa fase si verifica un restringimento molto significativo, fino al 70% di perdita dimensionale e un enorme 90% di peso. Tuttavia, conoscere la dimensione di destinazione per una parte richiederebbe semplicemente di progettarla proporzionalmente più grande per la stampa.
Il documento di ricerca delinea i loro esperimenti utilizzando diversi metalli, temperature e condizioni per esplorare il processo.
I ricercatori hanno esaminato la struttura metallica risultante e l’hanno trovata simile per durezza e microstruttura ai metodi convenzionali di preparazione dei campioni di parti metalliche. Ciò suggerisce che il processo potrebbe diventare un approccio praticabile per la stampa 3D commerciale di parti metalliche.
In questo senso, uno dei membri del gruppo di ricerca ha fondato una startup, 3D Architech, per sfruttare la nuova tecnologia. Il sito Web dell’azienda descrive la tecnologia come:
“Rivoluzione della produzione di metalli: la tecnologia di stampa 3D proprietaria basata su gel consente progetti e prestazioni mai raggiunti prima per la produzione additiva di metalli”.
3D Architech elenca una serie di vantaggi per la loro tecnologia basata su gel:
RISOLUZIONE SUPERIORE: produzione di metallo a forma di rete ad altissima risoluzione
STAMPA 3D SOSTENIBILE: Ricicla facilmente gli scarti di metallo in prodotti progettati in 3D
BASSO COSTO DI INGRESSO: costo 10-100 volte inferiore per le apparecchiature di stampa 3D basate su gel rispetto alle stampanti 3D in metallo all’avanguardia
SELEZIONE DI MATERIALI VERSATILE: metalli, ceramiche, compositi e multimateriali
Il vantaggio a basso costo è particolarmente interessante, in quanto il processo HIAM non richiederebbe laser, che sono la parte più costosa del più comune processo LPBF. Infatti, la tecnologia DLP utilizzata dai ricercatori è comunemente disponibile per meno di 1000 dollari.
Non sono sicuro di come funzioni il processo di rottami metallici, ma forse è possibile dissolvere i metalli in una soluzione che potrebbe funzionare con il processo HIAM.
Dovrebbe essere molto interessante vedere come 3D Architech e molti altri nuovi processi di stampa 3D in metallo non convenzionali si scontrano con le vecchie tecnologie esistenti.
Produzione additiva di metalli micro-architettonici tramite infusione di idrogel
Astratto
La produzione additiva in metallo (AM) consente la produzione di componenti ad alto valore e ad alte prestazioni 1 con applicazioni dal settore aerospaziale 2 a quello biomedico 3 . La fabbricazione strato per strato aggira i limiti geometrici delle tecniche tradizionali di lavorazione dei metalli, consentendo di realizzare parti topologicamente ottimizzate in modo rapido ed efficiente 4 , 5 . Le tecniche AM esistenti si basano sulla fusione o sinterizzazione avviata termicamente per la sagomatura delle parti, un processo costoso e limitato dal materiale 6 , 7 , 8. Segnaliamo una tecnica AM che produce metalli e leghe con risoluzione microscala tramite fotopolimerizzazione tino (VP). Gli idrogel con architettura tridimensionale vengono infusi con precursori metallici, quindi calcinati e ridotti per convertire gli scaffold di idrogel in repliche metalliche miniaturizzate. Questo approccio rappresenta un cambio di paradigma nella VP; il materiale viene selezionato solo dopo che la struttura è stata fabbricata. A differenza delle strategie VP esistenti, che incorporano materiali target o precursori nella fotoresina durante la stampa 9 , 10 , 11, il nostro metodo non richiede la riottimizzazione delle resine e dei parametri di polimerizzazione per materiali diversi, consentendo una rapida iterazione, messa a punto compositiva e la capacità di fabbricare multimateriali. Dimostriamo AM di metalli con dimensioni critiche di circa 40 µm che sono difficili da fabbricare utilizzando processi convenzionali. Tali metalli derivati da idrogel hanno microstrutture altamente gemellate e una durezza insolitamente elevata, fornendo un percorso per creare micromateriali metallici avanzati.
Principale
L’AM in metallo si ottiene principalmente tramite fusione a letto di polvere 12 e processi di deposizione di energia diretta 13 . I processi strato per strato consentono la fabbricazione di multimateriali metallici 14 e compositi funzionalmente graduati 15 , ma tali processi basati su laser faticano a produrre materiali come il rame; l’elevata conducibilità termica e il basso assorbimento del laser causano difficoltà nell’avvio termico e nella localizzazione della fusione o della sinterizzazione 16. La fotopolimerizzazione della vasca (VP) è un’alternativa promettente che utilizza la polimerizzazione radicalica avviata dalla luce per modellare le parti. La stampa DLP (Digital Light Processing) ottiene questo risultato proiettando immagini bidimensionali di luce ultravioletta in un bagno di fotoresina per polimerizzare contemporaneamente un intero strato della struttura tridimensionale (3D). DLP è in grado di raggiungere velocità di stampa elevate 17 , è stato dimostrato con una risoluzione submicrometrica 18 e ha diverse applicazioni commerciali dalla produzione diretta di suole per scarpe 19 ai tamponi di test COVID-19 20 . VP è stato sviluppato principalmente per l’uso con i polimeri 21 , 22 , 23 ed è stato dimostrato anche per i vetri9 e ceramica 10 . Tuttavia, la selezione del materiale inorganico rimane limitata a causa delle sfide con l’incorporazione di precursori appropriati in fotoresine come soluzioni 24 , fanghi 25 o miscele inorganiche-organiche 26 . Di conseguenza, la fabbricazione di metalli tramite VP rimane una sfida. Orano et al. ha dimostrato AM di argento nanometrico utilizzando idrogel come ‘reattori di nanoproduzione’ 27 , 28 in cui l’attivazione a due fotoni guida l’infiltrazione di precursori per depositare volumetricamente materiali 3D. Vyatsky et al. ha dimostrato AM di nichel su scala nanometrica utilizzando la litografia a due fotoni per modellare resine inorganiche-organiche contenenti acrilati di nichel, seguita da pirolisi e H2 riduzione 26 . Tuttavia, questi lavori pionieristici sono limitati nella portata dei materiali, richiedendo una complessa progettazione e ottimizzazione della resina per ogni nuovo materiale. Altre tecniche AM metalliche meno comunemente utilizzate come la scrittura diretta con inchiostro e il getto di materiale utilizzano rispettivamente l’estrusione da un ugello e la deposizione controllata di un legante per definire la forma della parte. Questi metodi eludono le sfide dell’utilizzo del calore per definire la forma della parte; i materiali in rame sono stati fabbricati tramite scrittura diretta con inchiostro 29 e getto di materiale 30 , ma nessuna delle due tecniche ha prodotto parti in rame con dimensioni delle caratteristiche inferiori a 100 µm.
Fabbricazione di infusione di idrogel
Abbiamo sviluppato una tecnica AM basata su VP, la produzione additiva per infusione di idrogel coniata (HIAM), che consente la fabbricazione di un’ampia gamma di metalli e leghe microarchitettati da una singola composizione di fotoresina. Utilizziamo impalcature di idrogel progettate in 3D come piattaforme per le successive reazioni di sintesi del materiale in situ, mostrate schematicamente nella figura 1a . Per fabbricare microreticoli metallici, usiamo DLP (schema nella Figura 1 supplementare ) per stampare organogel progettati a base di N , N -dimetilformammide (DMF)/polietilenglicole diacrilato (PEGda) (vedere Informazioni supplementari Discussione 1per il design in resina). La fase di stampa DLP definisce la forma della parte finale; la forma reticolare dell’ottetto progettata utilizzata in questo lavoro può essere trovata nella Figura 2 supplementare . I dettagli della composizione della resina e dei parametri di stampa e rigonfiamento DLP sono disponibili nelle tabelle supplementari 1 e 2. Dopo la stampa, uno scambio di solventi sostituisce DMF con acqua, convertendo gli organogel in idrogel. Le strutture dell’idrogel vengono quindi immerse in una soluzione di precursore del sale metallico per consentire agli ioni metallici di gonfiare l’impalcatura dell’idrogel. La calcinazione in aria converte gli idrogeli rigonfi di sale metallico in ossidi metallici e la successiva riduzione del gas di formazione (95% N 2 , 5% H 2) produce repliche in metallo o lega dell’architettura progettata. Durante tutto il processo, la forma della parte, definita durante la stampa DLP, viene mantenuta, con ciascuna dimensione che subisce un restringimento lineare di circa il 60-70%, con una concomitante perdita di massa approssimativa del 65-90% durante la calcinazione (vedere la tabella supplementare 3 per il restringimento e la perdita di massa per più materiali).
