Forskere optimerer additiv fremstilling på et molekylært niveau

Efterhånden som kompleksiteten og anvendelserne af additiv fremstilling øges, Penn State-forskere graver ned til de mindste skalaer for at optimere teknologien på molekylært niveau.

"Der er stadig mange ubekendte om, hvordan 3D-udskrivning rent faktisk fungerer, sagde Adri van Duin, hovedefterforsker af projektet og professor i maskinteknik, kemiteknik, og ingeniørvidenskab og mekanik ved Penn State. "Til dette projekt, vi teoretiserede, at man kunne lære meget ved at se på de forskellige molekyler, de arbejder med. "

Et papir offentliggjort i Fysisk kemi Kemisk fysik Journal beskriver, hvordan forskere undersøgte additive fremstillingsmetoder og materialer ved hjælp af simuleringer i atomistisk skala for at optimere deres ydeevne til i sidste ende stærkere og mere nyttige 3D-trykte komponenter.

"Vi gik ned til det mest fundamentale niveau, ser på den fysiske kemi og styrkerne af disse molekylære interaktioner, " sagde van Duin.

Specifikt, hans team undersøgte reaktionerne i en bindemiddelstråleopløsning, der bruges til 3-D-print, som i det væsentlige fungerer som den lim, der binder de trykte lag af primære materialer sammen.

"Du vil have limen til at organisere sig i rummet mellem nanopartiklerne, " sagde van Duin. "Det er også ideelt, hvis molekylerne stadig har evnen til at bevæge sig."

Med henblik på denne undersøgelse, van Duin og hans team skabte en beregningsramme ved hjælp af ReaxFF, et program til modellering af atomistiske kemiske reaktioner, at studere chromoxid-nanopartikler, et metal, der almindeligvis bruges i additiv fremstilling, og bindemidler indeholdende vandbaserede diethylenglycolopløsninger, der danner stærke forbindelser gennem et hydrogenbindingsnetværk.

"Designfokuset er at modificere disse komponenter og undersøge virkningerne af temperaturfaser for at få den optimale bindingsstyrke, samtidig med at molekylerne også kan bevæge sig på overfladen sammen, " sagde van Duin.

Efter at disse molekyler med succes er bundet sammen, de høje temperaturer i en 3-D-printer, der er nødvendig til hærdning og sintring, koger i det væsentlige de nu unødvendige organiske molekyler væk, mens metaloxiderne holdes sammen i det færdige stykke. I henhold til beregningsrammerne designet til eksperimentet, hvis disse temperaturer er for høje, det kan i stedet brænde disse afgørende bindinger ud og resultere i en nedbrydning af det endelige stykke.

Imidlertid, van Duin og holdet af forskere fandt ud af, at ved at justere mængden af ​​diethylenglycol og vand i bindemiddelopløsningen, de kan intensivere forekomsten af ​​stærke hydrogenbindinger, hvilket gjorde det muligt for det blandede materiale at modstå og trives under højere temperaturer.

Selvom resultaterne af dette eksperiment har forudsagt evnen til at forbedre skabelsen af ​​3D-trykte dele ved hjælp af chromoxidpartikler, den virkelige styrke ved denne forskning ligger i beregningsmodellerne. Med skabelsen af ​​denne ramme, disse eksperimenter kan anvendes til at finde den optimale bindemiddelkemi, hærdnings- og sintringsbetingelser for alle potentielle materialer, der kan bruges i additiv fremstilling.

"Når du forstår, hvor stærke bindinger kan dannes, vi kan anvende det på alt, hvad vi vil, " sagde van Duin. "Hvis vi vil prøve det her med peptider, det kan vi simulere."

Beregningerne er billige og afsluttet på relativt kort tid, som giver forskere mulighed for at undersøge og modellere nye organiske molekyler for at se, hvilke metoder og materialer der er mest lovende til additiv fremstilling.

Forskningen er resultatet af en frøbevilling fra Penn State Institute for Computational and Data Sciences (ICDS), tidligere Institut for CyberScience, som demonstrerer den iboende tværfaglige karakter af additiv fremstillingsområdet.

Ud over, denne forskning bragte van Duin og Guha Manogharan sammen, assisterende professor i maskinteknik og industriteknik ved Penn State, der er specialiseret i additiv fremstilling. Da mange af hans projekter arbejder meget med bindemiddelstråleløsninger, Manogharan søgte at se ud over de traditionelle grænser for fremstillingsoptimeringer.

"Dette er et godt eksempel på støtte fra komplementære institutter og centre i Penn State, hvor styrken af ​​mit laboratorium, SHAPE Lab (systemer til hybrid additiv fremstilling), i additiv fremstilling, er problemfrit integreret med ICDS 'stærke muligheder for at udforske et ukendt, men kritisk forskningsområde, " sagde Manogharan.

At give yderligere forståelse af, hvordan molekyler kan modificeres og forbedres, før de nogensinde kommer ind i en 3-D-printer, er et område, hvor forskerne ser meget lovende.

"Ved at forstå processen på en nanoskala, vi behøver ikke at redesigne en printer, " sagde van Duin. "Men du kan i høj grad fremskynde optimeringen af ​​fremstillingen."