Impresión 3D cerca de piezas de forma neta sin poste

5 de junio de 2023

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por Lynn Shea, Ingeniería Mecánica de la Universidad Carnegie Mellon

El profesor de la Universidad Carnegie Mellon, Rahul Panat, y su equipo, estaban desarrollando un nuevo tipo de dispositivo de interfaz cerebro-computadora (o BCI) impreso en 3D donde los micropilares personalizados capturan las señales de comunicación de las neuronas cuando se toparon con un problema inesperado: los micropilares en la matriz. doblado durante la sinterización. Estos dispositivos BCI, ahora llamados "matrices CMU", apilan millones de nanopartículas metálicas en el espacio 3D y luego las sinterizan, es decir, las fusionan.

En una ilustración bastante dramática, una película de lapso de tiempo de su experimento, los micropilares plateados se abrieron de manera altamente coordinada como una flor en flor durante el proceso de sinterización de 12 horas a 150-300 °C. Este fenómeno fue completamente inesperado ya que la teoría de la sinterización predice que no hay distorsión permanente, incluso a temperaturas variables.

Panat dirigió un equipo interdisciplinario de investigadores de Carnegie Mellon y la Universidad Estatal de Washington en una búsqueda no solo para determinar por qué había tal distorsión, sino también para encontrar una manera de controlarla. De hecho, si se controla, la investigación conduciría a la primera ilustración del mundo de la sinterización como mecanismo de "impresión 4D", una disciplina relativamente nueva dentro de la fabricación aditiva (AM) donde los objetos impresos en 3D se transforman en otra forma utilizando fuentes como calor, agua, u otros estímulos ambientales.

A través de su investigación, el equipo demostró de manera concluyente que el transporte masivo era necesario para provocar el cambio de forma permanente. Definieron dos posibles mecanismos de distorsión y formularon el primer modelo continuo que predice con precisión la distorsión y los parámetros que la controlan. Sus hallazgos se publican en el último número de la revista Nature Communications Sandra Ritchie, Ph.D. candidato en Ingeniería Mecánica, es el estudiante líder del estudio.

"Es muy emocionante que pudiéramos resolver un problema fundamental en la fabricación aditiva que era la principal barrera para lograr piezas de forma casi neta usando AM. Tales piezas no requieren procesamiento adicional, lo que reduce costos y ahorra energía", dijo Panat, quien agregó: "La idea de la sinterización como una forma de lograr la impresión 4D abrirá nuevas direcciones de investigación". Dado que los esfuerzos actuales para reducir la distorsión en la impresión 3D se limitan en gran medida a tediosos enfoques de prueba y error, resolver este problema podría ser un factor clave para el avance de la tecnología de fabricación aditiva.

Los experimentos con micropilares fueron emocionantes, pero para restringir el cambio de forma a una dirección, los autores idearon un nuevo conjunto de experimentos para crear microparedes de 20 y 35 μm de espesor. A continuación, se podrían utilizar imágenes ópticas para medir con precisión la distorsión (flexión en este caso). Como ocurría con los micropilares, la curvatura de las microparedes aumentaba a medida que avanzaba la sinterización hasta alcanzar un valor máximo, antes de exhibir una leve recuperación. Las mediciones térmicas mostraron que las microparedes siempre se doblan hacia el lado más caliente, lo que indica el transporte de masa a través de la sinterización diferencial.

Esta investigación aborda un tema fundamental en la fabricación aditiva y se espera que abra investigaciones que Panat espera continuar en microscopía operando para observar el transporte de masa durante la distorsión, el control de temperatura para lograr la impresión 4D en diferentes configuraciones y el desarrollo de modelos que predicen el cambio de forma. para formas complejas como cabría esperar en piezas grandes para industrias como las estructuras aeroespaciales.

Más información: Sandra M. Ritchie et al, La distorsión de la forma en la sinterización resulta de una temperatura no homogénea que activa un transporte de masa de largo alcance, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38142-z

Información del diario:Comunicaciones de la naturaleza

Proporcionado por Carnegie Mellon University Ingeniería Mecánica