Ottimizzazione della stampa 3D di materiali naturali su larga scala
Molte persone sono preoccupate per gli effetti della produzione additiva sull’ambiente e stanno compiendo sforzi per trovare modi di stampare in 3D in modo più sostenibile. Ciò comporta spesso la ricerca di nuovi materiali più ecologici rispetto, ad esempio, alla plastica. In un documento intitolato ” Controllo delle impostazioni di processo per la produzione additiva su larga scala con materiali naturali sostenibili “, un gruppo di ricercatori descrive un sistema di produzione additivo sviluppato per la stampa 3D di oggetti su larga scala utilizzando materiali naturali di biocomposito.
Secondo i ricercatori, i materiali compositi realizzati con materiali naturali con buone proprietà meccaniche sono stati limitati nell’uso in quanto sono spesso mescolati con materie plastiche o solventi pericolosi, e per la maggior parte il loro uso è stato dimostrato solo su scala ridotta. Poiché la maggior parte dei materiali naturali dei biocompositi sono a base d’acqua, presentano una serie di sfide perché quando si asciugano e si induriscono, la rimozione dell’umidità comporta cambiamenti nella struttura e nelle dimensioni.
Nello studio, i ricercatori hanno utilizzato un materiale di cellulosa-chitina che è sia riciclabile che compostabile. Allo stato secco, le sue proprietà meccaniche sono simili a quelle del poliuretano espanso rigido. Nel suo stato umido, è flessibile e presenta tixotropia, il che significa che è viscosa mentre è in uno stato statico ma scorre sotto pressione da un estrusore. Mentre si asciuga, si restringe anisotropicamente.
“Il nostro approccio alla produzione additiva con questo materiale assomiglia al metodo Direct Ink Write dato lo stato colloidale del materiale utilizzato”, spiegano i ricercatori. “Tuttavia, come in un processo di modellazione di deposizione fusa, impieghiamo anche un approccio di stratificazione filamentoso. Con l’estrusore montato su un sistema robotico industriale, la scala del processo si estende fino alla portata fisica del robot. ”
Il sistema consisteva di tre componenti principali: un robot industriale articolato a sei assi, un dispensatore di materiale di precisione e un sistema di pompaggio del materiale. Sono state utilizzate due telecamere per catturare le viste superiore e laterale dei filamenti, consentendo ai ricercatori di misurare le dimensioni del materiale. Hanno usato modelli matematici per “scoprire le possibili dimensioni di un filamento che può essere ottenuto entro i limiti operativi del nostro sistema” e per ottimizzare i parametri della macchina.
Per testare i modelli, i ricercatori hanno stampato tre repliche di filamenti con diverse impostazioni della macchina. La larghezza e l’altezza dei filamenti in entrambi gli stati umido e secco sono stati misurati insieme con le loro forze di trazione all’essiccamento. Nel complesso, i risultati hanno confermato l’accuratezza dei modelli dei ricercatori.
“Il ridimensionamento lineare del restringimento della larghezza complessiva insieme al costante restringimento in lunghezza e altezza delle unità ripetitive fornisce preziose informazioni sullo sviluppo di algoritmi di pathing che prevedono e compensano adeguatamente il restringimento”, aggiungono.
Gli esperimenti dei ricercatori hanno permesso loro di sviluppare “le conoscenze fondamentali relative all’interazione tra il materiale e il processo di estrusione, correlando i parametri controllabili alle proprietà geometriche e fisiche dei singoli filamenti”. Hanno identificato le impostazioni di sovrapposizione laterale che fondono i filamenti insieme a una forza maggiore di singoli filamenti e “attenuazione della sezione trasversale delle pareti e ha mostrato la scalabilità lineare dei modelli di restringimento nello spazio 3D che può essere utilizzato per preimpostare percorsi utensile e consentire stampe accurate.”
Nel corso dello studio, i ricercatori hanno stampato con successo una struttura tubolare verticale a parete singola di 0,25 m di altezza, una pala di turbina eolica lunga 1,2 m e una struttura di 5 m di altezza composta da più segmenti di superficie rigata. È necessario più lavoro, affermano, per comprendere la compressione dei livelli complessi e fenomeni di scollamento nelle strutture a parete singola e multipla, e per esplorare il comportamento dei progetti a forma libera e dei modelli di reticolo strutturale interno.
“Mentre la stampa 3D con materiali naturali è sicuramente più impegnativa rispetto a prodotti di materiali industriali di buona qualità, i risultati positivi verso la comprensione e il controllo dei biomateriali stampati in 3D, passi positivi verso questa direzione presentati qui, possono influire sulla manifestazione generale verso un futuro più sostenibile” i ricercatori concludono.
Gli autori del documento includono Yadunund Vijay, Naresh D. Sanandiya, Stylianos Dritsas e Javier G. Fernandez.