Il CalTech ha svolto un lavoro interessante nella stampa 3D per diversi anni, in particolare la professoressa Julia Greer e il gruppo Greer . Il team lavora su materiali gerarchici, nano, a batteria e altri nuovi, oltre a processi per la stampa 3D . Una nuova area che il team ha esplorato nel corso degli anni è quella relativa ai materiali derivati dall’idrogel.
Metalli e ceramica derivati da idrogel
I materiali compatibili con VP sono in gran parte limitati ai polimeri, con ceramiche e metalli difficili da fabbricare. Abbiamo sviluppato un processo che combina la sintesi di combustione in soluzione in situ con VP per fabbricare metalli e ceramiche da idrogel. Questo processo è facile, versatile dal punto di vista compositivo e compatibile con qualsiasi tecnica VP.
Microreticoli di ossido di zinco (ZnO) con dimensioni delle caratteristiche di ~ 250 nm sono stati fabbricati utilizzando la litografia a due fotoni utilizzando questo processo. Utilizzando tecniche di caratterizzazione come la diffrazione dei raggi X, la spettroscopia a dispersione di energia, l’analisi termogravimetrica e la microscopia elettronica a trasmissione, dimostriamo che queste strutture erano composte da ZnO policristallino monolitico con una granulometria media di 5 nm. Le compressioni in situ di queste strutture ZnO architettoniche utilizzando una configurazione elettromeccanica personalizzata indicavano anche che queste strutture avevano capacità elettromeccaniche.
Abbiamo anche utilizzato questa tecnica per esplorare l’AM dei materiali per le applicazioni delle batterie agli ioni di litio. I materiali in ossido di cobalto di litio (LCO) con architettura 3D fabbricati utilizzando la stampa digitale con elaborazione della luce con il nostro processo avevano risoluzioni di circa 100 µm. Queste strutture LCO autoportanti, prive di leganti e additivi conduttivi sono state integrate come catodi nei LIB e hanno mostrato una ritenzione della capacità elettrochimica del 76% su 100 cicli a C/10.
Il nostro nuovo processo di fabbricazione di ceramica e metallo consente la facile sintesi di materiali avanzati per l’AM e ha implicazioni dirette in una varietà di campi, dai sistemi nanoelettromeccanici alla catalisi chimica, all’accumulo di energia e alla sintesi di nuovi materiali, e potrebbe consentire la produzione di materiali prima impossibili Dispositivi intelligenti 3D.
Abbiamo sviluppato un metodo generale per la fabbricazione di un’ampia varietà di metalli e leghe con forme complesse, risoluzione mesoscala e dimensioni complessive su scala cm tramite elaborazione della luce digitale (DLP) AM e successiva post-elaborazione e trattamento termico. Questa tecnica semplificata utilizza un’unica composizione di resina e un unico insieme di condizioni di lavorazione durante il processo DLP, seguite dall’infusione di precursori metallici appropriati in una struttura di idrogel. Il trattamento termico in ossidazione seguito da atmosfere riducenti converte la matrice polimero/precursore nel metallo bersaglio. A differenza delle precedenti strategie di fotopolimerizzazione in vasca che hanno materiali target o precursori incorporati nella resina durante il processo di stampa, questo metodo non richiede la riottimizzazione delle resine e dei parametri di polimerizzazione della resina quando si cambia il materiale target; i parametri di controllo del processo rilevanti vengono spostati nelle fasi di infusione di idrogel e trattamento termico. Questo lavoro sperimentale apre le porte a una classe completamente nuova di metodi AM metallici basati su tecniche AM convenzionali per la lavorazione dei polimeri come il DLP.
Produzione additiva tramite litografia ad interferenza
Collaborazione con il gruppo del Professor Andrei Faraon (Caltech).
Personale: Andrew Friedman (dottorando in Ingegneria Chimica) e Dr. Luizetta Elliott (Alumna)
Gli sviluppi nella produzione additiva hanno rivelato numerose applicazioni per materiali tridimensionali (3D) micro e nano-architettonici come filtri microfluidici, cristalli fotonici, materiali strutturali avanzati, catalizzatori e assorbimento dell’impatto di proiettili ad alta velocità. La corretta realizzazione di queste applicazioni richiede tecniche di produzione che consentano una modellazione 3D rapida e ad alto rendimento con una risoluzione delle caratteristiche strutturali dell’ordine dei nanometri. L’aspetto limitante la velocità delle tecniche standard come la litografia multi-fotone e il fascio di elettroni è la dimensione del voxel raster e quella della litografia con interferenza olografica è la dimensione dello spot di una singola esposizione. Presentiamo una tecnica di litografia a interferenza con luce visibile che utilizza una maschera di metasuperficie di 2×2 cm composta da nanopillari di Si su quarzo in grado di consentire la modellazione senza fluidi di corrispondenza dell’indice o contatto diretto con il fotoresist o il substrato. Utilizziamo questa tecnica per esporre aree arbitrariamente grandi (> 10×10) cm in pellicole spesse 20-60 um di fotoresist commerciale a tono negativo SU-8 e in pellicole> 20 um di alternative personalizzate derivate da glicidil-metacrilato tramite esposizioni raster serializzate per produrre un materiale nano-architettato completamente continuo e omogeneo.
L’utilizzo della chimica del (met)acrilato nei fotoresist personalizzati consente l’incorporazione di monomeri funzionali direttamente nella spina dorsale del fotoresist, rendendola suscettibile alla funzionalizzazione della superficie di post-elaborazione tramite l’incorporazione di ammine pendenti. La combinazione della nostra tecnica di modellazione 3D su larga scala abilitata per la metasuperficie con la chimica fotoresist personalizzabile fornisce un nuovo percorso per la produzione scalabile di materiali architettonici con risoluzione delle caratteristiche nanometriche e proprietà avanzate come effetti di memoria di forma, funzionalizzazione della superficie localizzata e assorbimento dell’impatto.
Produzione additiva di nuovi materiali
La creazione di materiali con una serie di proprietà progettate è una delle sfide chiave della nostra società. Risolvere questa grande sfida aprirà percorsi per creare classi di materiali completamente nuove, le cui proprietà sono determinate a priori e raggiunte attraverso un approccio fisicamente informato su più scale. Queste nuove classi di materiali offriranno progressi rivoluzionari in quasi tutti i rami della produzione e della tecnologia: dai materiali strutturali ultraleggeri e resistenti ai danni all’accumulo di energia sicuro ed efficiente, dispositivi biomedici, sensori e attuatori biochimici e micromeccanici, dispositivi nanofotonici e tessuti.
La produzione additiva (AM) ha consentito progressi in vari campi della scienza e della tecnologia grazie alla sua capacità unica di fabbricare materiali architettonici, materiali con caratteristiche topologicamente definite che si traducono in proprietà dei materiali uniche e senza precedenti. La fotopolimerizzazione a tino (VP) si distingue tra tutte le tecniche AM disponibili per le sue elevate risoluzioni e throughput ottenibili e sono state utilizzate per fabbricare materiali con proprietà meccaniche e ottiche uniche.
