Un ugello mutaforma stampato in 3D per controllare l’orientamento delle fibre durante la produzione additiva di compositi

GLI SCIENZIATI DEL MARYLAND CREANO UN UGELLO CHE CAMBIA FORMA PER LA STAMPA 3D DI COMPOSITI RIEMPITI DI FIBRE

I ricercatori dell’Università del Maryland (UMD) hanno progettato un ugello mutaforma “morphing” che consente agli utenti di stampare in 3D parti personalizzate con compositi riempiti di fibre.

A differenza delle testine di stampa convenzionali, il dispositivo del team è dotato di nuovi attuatori laterali che gli consentono di cambiare forma durante la stampa e di riorientare efficacemente le fibre di un materiale. Usando il loro nuovo ugello, gli scienziati sono stati in grado di modificare le qualità di rigonfiamento di oggetti complessi, prestandogli potenzialmente applicazioni biomediche o militari.

“Quando si stampa in 3D con il nostro ugello morphing, il potere risiede nei suoi attuatori laterali, che possono essere gonfiati come un palloncino”, ha spiegato Ryan Sochol, assistente professore di ingegneria meccanica presso UMD. “Questo cambia la forma dell’ugello e, a sua volta, l’orientamento delle fibre.”

Il nuovo ugello dei ricercatori (nella foto) ha permesso loro di fabbricare oggetti con proprietà di rigonfiamento migliorate una volta esposti all’acqua. Foto via UMD.
Il nuovo ugello dei ricercatori (nella foto) ha permesso loro di fabbricare diversi oggetti che mostravano proprietà di rigonfiamento specifiche una volta esposti all’acqua. Foto tramite la rivista Advanced Materials Technologies.
Ottimizzazione della stampa 3D riempita di fibre

I sistemi di estrusione sono compatibili con un’ampia gamma di materiali e, sfruttando questa flessibilità, i ricercatori cercano sempre più di fabbricare parti in fibra incorporate. Regolando la direzione dei fili di questi composti, è possibile creare oggetti con proprietà avanzate, ma tali approcci presentano degli svantaggi.

Una sfida per la stampa 3D di compositi carichi di fibre è che i normali ugelli di estrusione consentono solo un identico allineamento delle fibre durante la deposizione, il che limita qualsiasi controllo dell’orientamento. Di conseguenza, nella stampa 4D, gli utenti devono modellare manualmente il percorso di deposizione della testina per assicurarsi di produrre una parte ottimizzata.

Al fine di consentire un maggiore controllo sull’orientamento delle fibre, un certo numero di ricercatori ha sviluppato ugelli aggiornati che utilizzano campi applicati esternamente per controllare la distribuzione spaziale. Tuttavia, tali metodi magnetici tendono a non produrre parti complesse o essere compatibili con molti materiali, il che ha limitato la loro adozione.

Più di recente, gli scienziati hanno sviluppato processi “Rotational DIW” (RDIW), in cui la testina di stampa ruota, consentendo agli utenti di allineare le fibre come desiderato. Sebbene RDIW sia spesso utilizzato nel settore aerospaziale, è raramente distribuito durante la stampa 3D, quindi il team UMD ha deciso di progettare un dispositivo RDIW specificamente ottimizzato per AM.

Utilizzando una stampante 3D Stratasys Objet500, i ricercatori sono stati in grado di creare il loro nuovo ugello con più materiali, senza comprometterne l’integrità. Ad esempio, il design stesso presenta sia porte rigide per la compatibilità dell’adattatore, sia attuatori laterali morbidi gonfiabili che consentono di cambiare la direzione delle fibre durante la stampa.

Per dimostrare le capacità del proprio dispositivo, il team UMD ha tentato di personalizzare il processo di stampa 4D, sebbene sia possibile creare parti che si rimodellano a seconda dell’ambiente. In particolare, gli scienziati hanno cercato di utilizzare il loro ugello per regolare le proprietà di rigonfiamento degli oggetti una volta immersi nell’acqua.

Normalmente, sono necessari più materiali per ottenere tale espansione anisotropica, ma utilizzando il loro ugello potenziato, il team UMD è stato in grado di controllare questi comportamenti all’interno di un singolo composito. “Ciò che è stato entusiasmante è stato scoprire che potevamo causare la transizione di un singolo materiale stampato tra gonfiore anisotropo e isotropo”, ha detto l’autore principale Connor Armstrong.

“È importante sottolineare che la capacità dell’ugello di trasformarsi e anche di aumentare il punteggio in termini di proprietà di rigonfiamento non è limitata alla stampa 4D”, ha aggiunto Noah Todd, un coautore dello studio. “Il nostro approccio potrebbe essere applicato alla stampa 3D di molti altri materiali compositi per personalizzare le loro proprietà elastiche, termiche, magnetiche o elettriche”.

In futuro, gli scienziati ritengono che il loro approccio potrebbe essere applicato anche all’interno di altri processi di stampa, per fabbricare prodotti biomedicali, in grado di espandersi su richiesta. L’ugello avanzato ha anche potenziali applicazioni militari e il team sta lavorando con i laboratori del Dipartimento della Difesa per esplorare quest’area di ricerca.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro studio intitolato ” Un ugello di morphing stampato in 3D per controllare l’orientamento delle fibre durante la produzione additiva di compositi “. L’articolo è stato scritto in collaborazione con Connor D. Armstrong, Noah Todd, Abdullah T. Alsharhan, David I. Bigio e Ryan D. Sochol.

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