Naarmate de complexiteit en toepassingen van additive manufacturing toenemen, Onderzoekers van Penn State graven tot de kleinste schalen om de technologie op moleculair niveau te optimaliseren.

"Er zijn nog veel onbekenden over hoe 3D-printen eigenlijk werkt, zei Adri van Duin, hoofdonderzoeker van het project en hoogleraar werktuigbouwkunde, chemische technologie, en technische wetenschappen en mechanica bij Penn State. "Voor dit project we theoretiseerden dat je veel zou kunnen leren door te kijken naar de verschillende moleculen waarmee ze werken."

Een paper gepubliceerd in de Fysische chemie Chemische fysica Journal beschrijft hoe onderzoekers additieve productiemethoden en materialen onderzochten met behulp van simulaties op atomistische schaal om hun prestaties te optimaliseren voor uiteindelijk sterkere en bruikbare 3D-geprinte componenten.

"We gingen naar het meest fundamentele niveau, kijkend naar de fysische chemie en de sterke punten van deze moleculaire interacties, ', aldus Van Duin.

specifiek, zijn team onderzocht de reacties die plaatsvonden in een bindmiddelstraaloplossing die wordt gebruikt voor 3D-printen, die in wezen fungeert als de lijm die de gedrukte lagen van primaire materialen aan elkaar bindt.

"Je wilt dat de lijm zichzelf organiseert in de ruimte tussen de nanodeeltjes, Van Duin zei. "Het is ook ideaal als de moleculen nog kunnen bewegen."

Voor de doeleinden van deze studie, van Duin en zijn team creëerden een computationeel raamwerk met behulp van ReaxFF, een programma voor het modelleren van atomaire chemische reacties, om chroomoxide nanodeeltjes te bestuderen, een metaal dat veel wordt gebruikt bij additieve fabricage, en bindmiddelen die diethyleenglycoloplossingen op waterbasis bevatten die sterke verbindingen vormen via een waterstofbrugnetwerk.

"De focus van het ontwerp ligt op het aanpassen van deze componenten en het onderzoeken van de effecten van temperatuurfasen om de optimale bindingssterkte te krijgen, terwijl de moleculen ook samen over het oppervlak kunnen bewegen, ', aldus Van Duin.

Nadat deze moleculen met succes aan elkaar zijn gebonden, de hoge temperaturen in een 3D-printer die nodig zijn voor het uitharden en sinteren, koken in wezen de nu onnodige organische moleculen weg, terwijl de metaaloxiden in het voltooide stuk worden samengevoegd. Volgens het rekenraamwerk dat voor het experiment is ontworpen, als deze temperaturen te hoog zijn, het kan in plaats daarvan deze cruciale bindingen doorbranden en resulteren in een ontbinding van het laatste stuk.

Echter, van Duin en het team van onderzoekers ontdekten dat door de hoeveelheden diethyleenglycol en water in de bindmiddeloplossing aan te passen, ze kunnen het optreden van sterke waterstofbruggen versterken, waardoor het gemengde materiaal bestand was tegen en gedijt onder hogere temperaturen.

Hoewel de resultaten van dit experiment het vermogen hebben voorspeld om de creatie van 3D-geprinte onderdelen met behulp van chroomoxidedeeltjes te verbeteren, de echte kracht van dit onderzoek ligt in de rekenmodellen. Met de totstandkoming van dit raamwerk deze experimenten kunnen worden ingezet om de optimale bindmiddelchemie te vinden, uithardings- en sintercondities voor alle mogelijke materialen die kunnen worden gebruikt in additive manufacturing.

"Als je eenmaal begrijpt hoe sterke bindingen kunnen worden gevormd, we kunnen het toepassen op alles wat we willen, Van Duin zei. "Als we dit willen proberen met peptiden, dat kunnen we simuleren."

De berekeningen zijn goedkoop en in relatief korte tijd voltooid, waarmee onderzoekers nieuwe organische moleculen kunnen onderzoeken en modelleren om te zien welke methoden en materialen het meest veelbelovend zijn voor additieve fabricagetoepassingen.

Het onderzoek is het resultaat van een seed-subsidie ​​van het Penn State Institute for Computational and Data Sciences (ICDS), voorheen het Instituut voor CyberScience, wat de intrinsieke interdisciplinaire aard van het veld van additieve fabricage aantoont.

In aanvulling, dit onderzoek bracht van Duin en Guha Manogharan samen, assistent-professor werktuigbouwkunde en industriële techniek aan Penn State, die gespecialiseerd is in additive manufacturing. Aangezien veel van zijn projecten uitgebreid werken met oplossingen voor het spuiten van bindmiddelen, Manogharan probeerde verder te kijken dan de traditionele grenzen van productie-optimalisaties.

"Dit is een goed voorbeeld van ondersteuning van complementaire instituten en centra binnen Penn State waar de kracht van mijn lab, het SHAPE Lab (Systems for Hybrid Additive Manufacturing), bij additieve productie, is naadloos geïntegreerd met de sterke capaciteiten van ICDS om een ​​onbekend maar cruciaal onderzoeksgebied te verkennen, ' zei Manogharan.

Het bieden van meer inzicht in hoe moleculen kunnen worden aangepast en verbeterd voordat ze ooit in een 3D-printer komen, is een gebied waar de onderzoekers grote beloften zien.

"Door het proces op nanoschaal te begrijpen, we hoeven een printer niet opnieuw te ontwerpen, Van Duin zei. "Maar je kunt de optimalisatie van de fabricage enorm versnellen."