Le reazioni foto e termoattivate sono dominanti nei processi di produzione additiva (AM) per la polimerizzazione o la fusione/deposizione di polimeri. Tuttavia, le reazioni sonochimiche attivate dagli ultrasuoni rappresentano un modo unico per generare punti caldi nelle bolle di cavitazione con temperature e pressioni straordinarie insieme a velocità di riscaldamento e raffreddamento elevate che sono fuori dalla portata delle attuali tecnologie AM. Qui, dimostriamo la stampa 3D di strutture utilizzando la cavitazione acustica prodotta direttamente da ultrasuoni focalizzati che creano reazioni sonochimiche in regioni di cavitazione altamente localizzate. Geometrie complesse con porosità da zero a variabili e dimensioni delle caratteristiche di 280 μm vengono stampate con il nostro metodo, Direct Sound Printing (DSP), in un termoindurente poli(dimetilsilossano) che finora non può essere stampato direttamente con alcun metodo. Sonochemiluminescenza, Vengono presentati esperimenti di imaging ad alta velocità e caratterizzazione dei processi di DSP e potenziali applicazioni come la stampa a distanza remota. Il nostro metodo stabilisce un percorso alternativo in AM utilizzando gli ultrasuoni come fonte di energia.
introduzione
Nonostante i recenti e significativi sviluppi nelle tecnologie di produzione additiva (AM), dai materiali di stampa 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ai processi 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , luce e calore sono ancora l’unica energia fonti utilizzate in AM per guidare reazioni chimiche o trasformazioni fisiche di polimeri. Pertanto, i materiali nei processi AM sono limitati alle resine fotosensibili, come nella stereolitografia (SLA) 14 o nella scrittura laser diretta (DLW) 15, e filamenti o polveri termoplastiche, come nella modellazione a deposizione fusa (FDM) 16 o nella sinterizzazione laser selettiva (SLS) 17 . I parametri che controllano le interazioni chimiche sono definiti dalla quantità di energia per molecola, dal tempo di interazione e dalla pressione 18 , 19 , 20 , 21 , 22 . Le fonti di energia AM esistenti, luce e calore, non utilizzano tutto il potenziale della chimica in termini di parametri di controllo mentre la sonochimica spinge questi parametri ai loro limiti. Straordinaria alta temperatura (superiore a 15.000 K), alta pressione (superiore a 1000 bar) e velocità di riscaldamento e raffreddamento elevate (oltre 10 12 K/s) 18all’interno delle bolle di cavitazione attiva, note come hotspot 23 , 24 , circondate da liquido sfuso a temperatura ambiente, sono le ragioni delle reazioni sonochimiche.
Se si potesse liberare il potenziale della sonochimica nei processi AM, emergerebbe un percorso non convenzionale per la stampa di materiali convenzionali e impossibili da stampare con le normali fonti di energia. Un esempio per tali materiali sono i polimeri termoindurenti. I termoindurenti possono essere polimerizzati otticamente o termicamente. La produzione additiva di termoindurenti otticamente polimerizzati è possibile tramite metodi AM basati sulla luce. Tuttavia, un’efficace polimerizzazione su richiesta dei polimeri termoindurenti deve ancora essere introdotta a causa della difficoltà di applicare velocità di riscaldamento e raffreddamento molto brevi a piccole regioni localizzate 25 . La sonochimica può essere una soluzione per stampare tali materiali grazie alla sua temperatura altamente localizzata con velocità di riscaldamento e raffreddamento elevate. Polimerizzazione acustica assistita 26 , 27, 28 è stato ampiamente studiato. Tuttavia, questi studi sono stati condotti in un bagno ad ultrasuoni o da un corno privo di una regione di reazione altamente focalizzata (che è analoga a uno spot del raggio laser in SLA o DLW) e di un’elevata velocità di polimerizzazione, necessaria per la stampa 3D.
Qui, come mostrato in Fig. 1a , stampiamo oggetti in 3D all’interno di una camera di costruzione riempita con il materiale di costruzione (monomero mescolato con agente indurente o miscele diverse) attraverso l’esposizione al campo ultrasonico focalizzato. Chiamiamo questo metodo Direct Sound Printing (DSP). Il campo ultrasonico, che è generato da un trasduttore focalizzato sferico monolitico, raggiunge il materiale di costruzione dopo essere passato attraverso il guscio della camera di costruzione. Nella posizione focale nel materiale di costruzione, come mostrato in Fig. 1a e dettagliato in Fig. 1b, la regione di cavitazione acustica chimicamente attiva solidifica la resina o miscela liquida e la deposita sulla piattaforma, o sopra regioni precedentemente depositate e solidificate. Chiamiamo questa regione come microreattore ultraattivo (UAMR) dove le bolle generate e la resina polimerizzata compaiono nelle zone di bassa pressione e quindi migrano momentaneamente nelle zone di alta pressione fino a raggiungere la piattaforma o il precedente pixel solidificato dove vengono depositate . Il trasduttore viene spostato nel mezzo da un manipolatore di movimento per localizzare la regione focale lungo un percorso calcolato nella camera di costruzione per creare la parte desiderata pixel per pixel. I parametri di input del processo DSP influiscono sulla microstruttura delle parti stampate. Questi parametri sono caratteristiche dell’impulso di pilotaggio del trasduttore (come potenza elettrica, frequenza e ciclo di lavoro che è la frazione attiva del periodo dell’impulso di azionamento), materiali di costruzione (come il rapporto di miscelazione tra monomero e agente indurente, rapporto di miscela, viscosità e tensione superficiale) e il movimento del trasduttore (come velocità e accelerazione del trasduttore). Diverse microstrutture producono parti otticamente trasparenti o opache in DSP. L’opacità risultante è dovuta alla struttura porosa della parte stampata, che può essere controllata/manipolando i parametri di input DSP.
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