À mesure que la complexité et les applications de la fabrication additive augmentent, Les chercheurs de Penn State creusent jusqu'aux plus petites échelles pour optimiser la technologie au niveau moléculaire.

"Il y a encore beaucoup d'inconnues sur le fonctionnement réel de l'impression 3D, " a déclaré Adri van Duin, chercheur principal du projet et professeur de génie mécanique, ingénieur chimiste, et les sciences de l'ingénieur et la mécanique à Penn State. « Pour ce projet, nous avons théorisé que vous pourriez apprendre beaucoup en examinant les différentes molécules avec lesquelles ils opèrent. »

Un article publié dans le Chimie Physique Physique Chimique Le journal détaille comment les chercheurs ont examiné les méthodes et les matériaux de fabrication additive à l'aide de simulations à l'échelle atomistique pour optimiser leurs performances pour des composants imprimés en 3D plus solides et plus utiles.

"Nous sommes descendus au niveau le plus fondamental, en regardant la physico-chimie et les forces de ces interactions moléculaires, " a déclaré van Duin.

Spécifiquement, son équipe a scruté les réactions se produisant au sein d'une solution de jet de liant utilisée pour l'impression 3D, qui agit essentiellement comme la colle qui lie les couches imprimées de matériaux primaires ensemble.

"Vous voulez que la colle s'organise dans l'espace entre les nanoparticules, " a déclaré van Duin. "C'est également idéal si les molécules ont encore la capacité de se déplacer."

Aux fins de cette étude, van Duin et son équipe ont créé un cadre de calcul à l'aide de ReaxFF, un programme de modélisation des réactions chimiques atomistiques, étudier les nanoparticules d'oxyde de chrome, un métal couramment utilisé en fabrication additive, et des liants contenant des solutions de diéthylène glycol à base d'eau qui forment des connexions solides à travers un réseau de liaisons hydrogène.

"L'objectif de la conception est de modifier ces composants et d'examiner les impacts des phases de température pour obtenir la force de liaison optimale, tout en permettant aux molécules de se déplacer ensemble à la surface, " a déclaré van Duin.

Une fois ces molécules liées avec succès, les températures élevées dans une imprimante 3D nécessaires pour le durcissement et le frittage font essentiellement bouillir les molécules organiques désormais inutiles, tout en gardant les oxydes métalliques fusionnés dans la pièce finie. Selon le cadre de calcul conçu pour l'expérience, si ces températures sont trop élevées, il peut à la place brûler ces liens cruciaux et entraîner une décomposition de la pièce finale.

Cependant, van Duin et l'équipe de chercheurs ont découvert qu'en modifiant les quantités de diéthylène glycol et d'eau présentes dans la solution de liant, ils pourraient intensifier l'apparition de liaisons hydrogène fortes, ce qui a permis au matériau mélangé de résister et de prospérer à des températures plus élevées.

Alors que les résultats de cette expérience ont prédit la capacité d'améliorer la création de pièces imprimées en 3D à l'aide de particules d'oxyde de chrome, la vraie force de cette recherche réside dans les modèles informatiques. Avec la création de ce cadre, ces expériences peuvent être déployées pour trouver la chimie optimale du liant, conditions de durcissement et de frittage pour tous les matériaux potentiels pouvant être utilisés dans la fabrication additive.

"Une fois que vous comprenez comment des liaisons solides peuvent être formées, nous pouvons l'appliquer à tout ce que nous voulons, " a déclaré van Duin. " Si nous voulons essayer cela avec des peptides, nous pouvons simuler cela."

Les calculs sont peu coûteux et réalisés en un temps relativement court, qui permet aux chercheurs d'étudier et de modéliser de nouvelles molécules organiques pour voir quelles méthodes et quels matériaux sont les plus prometteurs pour les applications de fabrication additive.

La recherche est le résultat d'une subvention de démarrage du Penn State Institute for Computational and Data Sciences (ICDS), anciennement l'Institut pour la cyberscience, ce qui démontre le caractère intrinsèquement interdisciplinaire du domaine de la fabrication additive.

En outre, cette recherche a réuni van Duin et Guha Manogharan, professeur adjoint de génie mécanique et de génie industriel à Penn State, spécialisé dans la fabrication additive. Étant donné que bon nombre de ses projets reposent sur des solutions de jet de liant, Manogharan a cherché à dépasser les limites traditionnelles des optimisations de fabrication.

« C'est un bon exemple de soutien d'instituts et de centres complémentaires au sein de Penn State où la force de mon laboratoire, le SHAPE Lab (Systèmes de Fabrication Additive Hybride), en fabrication additive, est parfaitement intégré aux solides capacités de l'ICDS pour explorer un domaine de recherche inexploré mais critique, " a déclaré Manogharan.

Fournir une meilleure compréhension de la façon dont les molécules peuvent être modifiées et améliorées avant même qu'elles n'entrent dans une imprimante 3D est un domaine dans lequel les chercheurs voient de grandes promesses.

"En comprenant le processus à l'échelle nanométrique, nous n'avons pas à reconcevoir une imprimante, " a déclaré van Duin. "Mais vous pouvez accélérer considérablement l'optimisation de la fabrication."