Alcuni esempi di complesse geometrie 3D stampate con ghiaccio 3D, tra cui un’elica, un albero e un polpo alto mezzo millimetro. Credito: College of Engineering, Carnegie Mellon University
Le grandi scoperte scientifiche spesso richiedono invenzioni su scala ridotta. I progressi nell’ingegneria dei tessuti che possono sostituire cuore e polmoni richiederanno la fabbricazione di tessuti artificiali che consentano il flusso del sangue attraverso passaggi che non siano più spessi di una ciocca di capelli. Allo stesso modo, i dispositivi softbotic in miniatura (soft-robot) che interagiscono fisicamente con gli esseri umani in modo sicuro e confortevole richiederanno la produzione di componenti con reti complesse di piccoli canali del liquido e del flusso d’aria.
I progressi nella stampa 3D stanno rendendo possibile la produzione di strutture così minuscole. Ma per quelle applicazioni che richiedono canali interni molto piccoli, lisci in geometrie complesse specifiche, le sfide rimangono. La stampa 3D di queste geometrie con processi tradizionali richiede l’utilizzo di strutture di supporto difficili da rimuovere dopo la stampa. La stampa di questi modelli utilizzando metodi basati su livelli ad alta risoluzione richiede molto tempo e compromette l’accuratezza geometrica.
I ricercatori della Carnegie Mellon University hanno sviluppato un metodo di fabbricazione riproducibile ad alta velocità che capovolge il processo di stampa 3D . Hanno sviluppato un approccio alla stampa 3D di strutture di ghiaccio che possono essere utilizzate per creare modelli sacrificali che in seguito formeranno i condotti e altre caratteristiche aperte all’interno delle parti fabbricate.
Akash Garg, un dottorato di ricerca studente in ingegneria meccanica e Saigopalakrishna Yerneni, un post-dottorato associato in ingegneria chimica, ha sviluppato il processo e condotto studi sotto la direzione di Burak Ozdoganlar, Philip LeDuc e Phil Campbell, professori di ingegneria meccanica e biomedica .
“Utilizzando il nostro processo di ghiaccio 3D, possiamo fabbricare modelli di ghiaccio in microscala con pareti lisce e strutture ramificate con transizioni lisce. Questi possono essere successivamente utilizzati per fabbricare parti in microscala con vuoti interni ben definiti”, ha affermato Garg.
Essendo la sostanza più abbondante sulla superficie terrestre e l’elemento costitutivo principale di qualsiasi organismo vivente, l’acqua è eccezionalmente adatta per l’uso in applicazioni di bioingegneria. La semplice e rapida transizione di fase dall’acqua al ghiaccio offre interessanti opportunità per utilizzare l’acqua come materiale strutturale ecologico.
“Non diventa più biocompatibile dell’acqua”, ha detto Garg.
Il team utilizza le strutture di ghiaccio stampate come modelli sacrificali per lo “stampaggio inverso” o la stampa 3D al rovescio. Le strutture di ghiaccio sono immerse nella forma liquida o gel di un materiale strutturale refrigerato, come la resina. Dopo che il materiale si è solidificato o è stato indurito, l’acqua viene rimossa. A tale scopo, il ghiaccio può essere sciolto per evacuare l’acqua. In alternativa, il ghiaccio può essere sublimato convertendolo in vapore acqueo senza trasformarlo in acqua liquida. Questa capacità di sublimare facilmente il ghiaccio consente una rimozione facile e “delicata” dopo la colata e la solidificazione del materiale strutturale circostante.
Un ugello a getto d’inchiostro piezoelettrico viene utilizzato per espellere gocce d’acqua (diametro = 50 µm) su una piattaforma di stampa a freddo mantenuta a -35 ◦C. Il movimento planare (XY) della fase di costruzione è sincronizzato con lo scarico delle goccioline per stampare complesse geometrie di ghiaccio. Credito: College of Engineering, Carnegie Mellon University
Un sistema di stampa 3D ad alta risoluzione viene utilizzato per depositare goccioline d’acqua su una piattaforma a temperatura controllata di -35°C che trasforma rapidamente l’acqua in ghiaccio . Modulando la frequenza di espulsione delle gocce d’acqua e sincronizzandola con i movimenti del palco, il nuovo processo consente di stampare geometrie ramificate con superfici lisce e variazioni continue di diametro con transizioni lisce.
I ricercatori lo dimostrano stampando molteplici geometrie di ghiaccio complesse, come un albero, un’elica attorno a un polo e persino una statuetta di polpo alta un millimetro e mezzo. Il rapido cambiamento di fase dell’acqua e la forza del ghiaccio hanno consentito la stampa 3D a forma libera di strutture di ghiaccio senza richiedere la lunga stampa strato per strato o strutture di supporto.
Sono stati eseguiti studi sperimentali per determinare il percorso di stampa, la velocità della fase di movimento e le frequenze delle goccioline per fabbricare in modo riproducibile strutture di ghiaccio liscio con geometrie diritte, inclinate, ramificate e gerarchiche.
“Controllare così tanti parametri è stato impegnativo”, ha spiegato Garg. “Ci siamo gradualmente sviluppati in complessità”.
“Questo è un risultato straordinario che porterà eccitanti progressi”, ha commentato Ozdoganlar. “Riteniamo che questo approccio abbia un enorme potenziale per rivoluzionare l’ingegneria dei tessuti e altri campi, in cui sono richieste strutture in miniatura con canali complessi, come per la microfluidica e la robotica morbida”.
I ricercatori della facoltà della Carnegie Mellon lavorano spesso insieme in team interdisciplinari per risolvere tali sfide ingegneristiche e biologiche.
“Una delle parti meravigliose di Carnegie Mellon è riunire persone di molte discipline diverse per sviluppare nuovi approcci e risolvere problemi in modi nuovi e unici, che è esattamente ciò che è accaduto qui per sviluppare queste scoperte entusiasmanti”, ha affermato LeDuc.
I ricercatori hanno riconosciuto il grande contributo del compianto Lee Weiss, che originariamente ha costruito il sistema di stampa 3D ad alta risoluzione. Weiss è stato professore al College of Engineering e alla School of Computer Science, nonché membro fondatore del Carnegie Mellon’s Robotics Institute.
Lo studio è stato pubblicato su Advanced Science . Mentre l’adozione del processo del ghiaccio 3D per applicazioni ingegneristiche come la creazione di canali pneumatici per la robotica morbida potrebbe essere disponibile in appena un anno, il suo uso clinico per l’ingegneria dei tessuti richiederà più tempo.
di Lynn Shea, Ingegneria Meccanica della Carnegie Mellon University
La ricerca su https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201566
