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Robocasting

Robocasting (también conocido como extrusión robótica de material [ 1 ] ) es una técnica de fabricación aditiva análoga a la escritura directa de tinta y otras técnicas de impre...

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Robocasting (también conocido como extrusión robótica de material [ 1 ] ) es una técnica de fabricación aditiva análoga a la escritura directa de tinta y otras técnicas de impresión 3D basadas en extrusión en la que un filamento de un material pastoso se extruye desde una pequeña boquilla mientras esta se mueve sobre una plataforma. [ 2 ] El objeto se construye imprimiendo la forma requerida capa por capa. La técnica se desarrolló por primera vez en Estados Unidos en 1996 como un método para permitir la producción de cuerpos verdes cerámicos geométricamente complejos mediante fabricación aditiva. [ 3 ] En robocasting, un modelo CAD 3D se divide en capas de manera similar a otras técnicas de fabricación aditiva. El material (normalmente una pasta cerámica) se extruye a través de una pequeña boquilla mientras se controla la posición de la boquilla, dibujando la forma de cada capa del modelo CAD. El material sale de la boquilla en un estado similar al líquido, pero conserva su forma inmediatamente, aprovechando la propiedad reológica de adelgazamiento por cizallamiento . Se diferencia del modelado por deposición fundida en que no depende de la solidificación o el secado para mantener su forma después de la extrusión.

Proceso

La robotización comienza con un proceso de software. Un método consiste en importar un archivo STL y dividir esa forma en capas de espesor similar al diámetro de la boquilla. La pieza se produce extruyendo un filamento continuo de material con la forma necesaria para rellenar la primera capa. A continuación, se baja la plataforma o se sube la boquilla y se deposita la siguiente capa siguiendo el patrón requerido. Este proceso se repite hasta completar la pieza 3D. Normalmente se utilizan mecanismos de control numérico para mover la boquilla siguiendo una trayectoria calculada generada por un software de fabricación asistida por ordenador (CAM). Generalmente se emplean motores paso a paso o servomotores para mover la boquilla con una precisión de hasta nanómetros. [ 4 ]

En esta etapa, la pieza suele ser muy frágil y blanda. A continuación, se procede al secado, la eliminación del aglutinante y la sinterización para dotar a la pieza de las propiedades mecánicas deseadas.

Dependiendo de la composición del material, la velocidad de impresión y el entorno de impresión, la robocasting puede manejar voladizos moderados y grandes regiones de extensión, muchas veces mayores que el diámetro del filamento, donde la estructura no tiene soporte inferior. [ 5 ] Esto permite imprimir con facilidad andamios 3D periódicos complejos, una capacidad que no poseen otras técnicas de fabricación aditiva. Estas piezas han demostrado ser muy prometedoras en campos como los cristales fotónicos , los trasplantes óseos, los soportes de catalizadores y los filtros. Además, las estructuras de soporte también se pueden imprimir a partir de un "material fugitivo" que se retira fácilmente. Esto permite imprimir casi cualquier forma en cualquier orientación.

Comportamiento mecánico

Una ventaja clave de la técnica de fabricación aditiva robocasting es su capacidad para utilizar una amplia gama de materiales de partida, ya que la capacidad de adelgazamiento por cizallamiento es la única propiedad inherente del material. Por ello, robocasting ha encontrado diversas aplicaciones en muchas clases de materiales dispares , como espumas metálicas , [ 6 ] polímeros precerámicos [ 7 ] y tejidos biológicos . [ 8 ] Esto permite acceder a una amplia gama de características mecánicas mediante esta técnica, con la posibilidad de una personalización adicional mediante el uso de rellenos de tinta y la variación de los parámetros de extrusión.

Efectos de relleno

Los materiales de relleno a micro y nanoescala se utilizan comúnmente para crear materias primas compuestas para robocasting y están disponibles en una amplia gama de composiciones, con morfologías que generalmente se clasifican en las categorías generales de esferas, plaquetas y filamentos/tubos. Tanto la composición como la morfología desempeñan un papel importante en las características mecánicas que confiere el relleno. Por ejemplo, se ha demostrado que la inclusión de nanobarbas rígidas de nitruro de boro dentro de la materia prima de epoxi aumenta anisotrópicamente la resistencia y rigidez generales del compuesto a lo largo de la dirección de orientación de la fibra debido a su asimetría de forma, [ 9 ] mientras que la inclusión de microesferas de vidrio huecas dentro de la misma materia prima de epoxi ha demostrado mejorar isotrópicamente la resistencia específica al reducir significativamente la densidad total del compuesto. [ 10 ]

Además de la forma, se ha demostrado que los diferentes rangos de tamaño dentro de los rellenos de la misma morfología producen cambios significativos en las propiedades mecánicas. Para los sistemas compuestos de fibra de carbono y epoxi de composición idéntica, se ha demostrado que la resistencia a la flexión generalmente disminuye al disminuir la longitud de la fibra. Sin embargo, también se ha demostrado que las fibras más cortas producen un mejor comportamiento general de impresión durante el proceso de robocasting, ya que el aumento de la longitud también aumenta la probabilidad de atasco dentro de la extrusora; la mayor fidelidad de impresión observada para las fibras más cortas generalmente resulta en una mayor reproducibilidad del comportamiento mecánico. Además, las fibras muy largas han mostrado una tendencia a romperse durante la extrusión, lo que esencialmente impone un límite de tamaño de facto a los rellenos de tipo filamento utilizados en robocasting. [ 11 ]

Efectos de extrusión

Se ha demostrado que los fenómenos de extrusión inherentes a la técnica de robocasting tienen efectos apreciables en el comportamiento mecánico de las piezas resultantes. Uno de los más significativos es la alineación de los materiales de relleno dentro de las materias primas compuestas durante la deposición, la cual se ve potenciada a medida que aumenta la anisotropía del relleno. Este fenómeno de alineación también se acentúa al disminuir el diámetro de la boquilla y aumentar la velocidad de deposición de tinta, ya que estos factores incrementan el esfuerzo cortante efectivo que experimentan los rellenos suspendidos en la materia prima, de acuerdo con la teoría de flujo de Jeffrey-Hamel . De este modo, los rellenos tienden a alinearse paralelamente a la trayectoria de extrusión, lo que confiere un carácter anisotrópico significativo a la pieza terminada. Esta anisotropía puede potenciarse aún más mediante la prescripción de trayectorias de extrusión que permanezcan paralelas durante todo el proceso de fabricación; por el contrario, la prescripción de trayectorias de extrusión con orientaciones diferentes, como la rotación de 90° en forma de pila de troncos entre capas, puede mitigar este efecto. [ 12 ]

La selección de la trayectoria de deposición también puede utilizarse para modificar las características mecánicas de los productos de robocasting, como en el caso de componentes no densos y graduados. La creación de estructuras de tipo reticular abierto mediante robocasting es una práctica extendida que permite optimizar la resistencia y rigidez específicas al reducir la huella de la sección transversal de un material de alimentación determinado, manteniendo gran parte de su integridad mecánica. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] Además, la creación de una trayectoria de deposición única mediante análisis de elementos finitos de una estructura deseada puede generar geometrías con gradiente dinámico optimizadas para aplicaciones específicas. [ 16 ]

Aplicaciones

Una serie de geometrías simples de alúmina creadas mediante robocasting.

La técnica puede producir cuerpos cerámicos no densos que pueden ser frágiles y deben sinterizarse antes de poder usarse para la mayoría de las aplicaciones, de forma análoga a una vasija de cerámica de arcilla húmeda antes de ser cocida. Se puede formar una amplia variedad de geometrías diferentes a partir de la técnica, desde piezas monolíticas sólidas [ 2 ] hasta intrincados "andamios" a microescala [ 17 ] y materiales compuestos a medida [ 18 ] . Una aplicación muy investigada de la robocasting es la producción de implantes de tejido biocompatibles. Se pueden formar estructuras reticulares apiladas tipo "pila de madera" con bastante facilidad, que permiten que el hueso y otros tejidos del cuerpo humano crezcan y eventualmente reemplacen el trasplante. Con varias técnicas de escaneo médico, se estableció la forma precisa del tejido faltante y se introdujo en un software de modelado 3D para su impresión. Los vidrios de fosfato de calcio y la hidroxiapatita se han explorado ampliamente como materiales candidatos debido a su biocompatibilidad y similitud estructural con el hueso. [ 19 ] Otras aplicaciones potenciales incluyen la producción de estructuras específicas de alta superficie, como lechos de catalizadores o electrolitos de pilas de combustible . [ 20 ] Los compuestos avanzados de soporte de carga de matriz metálica y matriz cerámica se pueden formar infiltrando cuerpos de pilas de madera con vidrios fundidos, aleaciones o lodos.

La robocasting también se ha utilizado para depositar tintas de polímero y sol-gel a través de diámetros de boquilla mucho más finos (menos de 2  μm) que los que son posibles con tintas cerámicas. [ 4 ]

Referencias

  1. ↑ Terminología para la fabricación aditiva - Principios generales - Terminología , West Conshohocken, PA: ASTM International, doi : 10.1520/isoastm52900-15
  2. 1 2 Feilden, Ezra (2016). "Robocasting de piezas cerámicas estructurales con tintas de hidrogel". Journal of the European Ceramic Society . 36 (10): 2525– 2533. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.03.001 . hdl : 10044/1/29973 .
  3. ↑ Stuecker, J (2004). "Estructuras de soporte avanzadas para una mayor actividad catalítica". Industrial & Engineering Chemistry Research . 43 (1): 51– 55. doi : 10.1021/ie030291v .
  4. 1 2 Xu, Mingjie; Gratson, Gregory M.; Duoss, Eric B.; Shepherd, Robert F.; Lewis, Jennifer A. (2006). "Silicificación biomimética de andamios 3D ricos en poliaminas ensamblados mediante escritura directa con tinta". Soft Matter . 2 (3): 205– 209. Bibcode : 2006SMat....2..205X . doi : 10.1039/b517278k . ISSN 1744-683X . PMID 32646146 .  
  5. ↑ Smay, James E.; Cesarano, Joseph; Lewis, Jennifer A. (2002). "Tintas coloidales para el ensamblaje dirigido de estructuras periódicas tridimensionales". Langmuir . 18 (14): 5429– 5437. doi : 10.1021/la0257135 . ISSN 0743-7463 . 
  6. ↑ Kenel, C.; Geisendorfer, NR; Shah, RN; Dunand, DC (2021-01-01). "Andamios metálicos jerárquicamente porosos mediante extrusión 3D y reducción de tintas de partículas de óxido con espaciadores de sal" . Additive Manufacturing . 37 101637. Bibcode : 2021AddM...3701637K . doi : 10.1016/j.addma.2020.101637 . ISSN 2214-8604 . S2CID 224925788 .  
  7. ↑ US20230121100A1 , Compton, Brett Gibson; Kemp, James William y Romberg, Stian Kristov et al., "Formulación de impresión 3D de polímero precerámico que comprende alúmina pirogénica", publicado el 20 de abril de 2023 
  8. ^ Baniasadi, Hossein; Ajdary, Rubina; Trifol, Jon; Rojas, Orlando J.; Seppälä, Jukka (15 de agosto de 2021). "Escritura directa con tinta de biohidrogeles de nanofibrillas de celulosa / aloe vera" . Polímeros de carbohidratos . 266 118114. doi : 10.1016/j.carbpol.2021.118114 . ISSN 0144-8617 . PMID 34044931 . S2CID 235229991 .   
  9. ↑ Compton, Brett G.; Wilt, Jackson K.; Kemp, James W.; Hmeidat, Nadim S.; Maness, Samantha R.; Edmond, Mark; Wilcenski, Steve; Taylor, Jason (2021-04-01). "Propiedades mecánicas y térmicas de compuestos epoxi impresos en 3D reforzados con nanobarbas de nitruro de boro". MRS Communications . 11 (2): 100– 105. doi : 10.1557/s43579-020-00005-9 . ISSN 2159-6867 . S2CID 234142021 .  
  10. ↑ US20210047490A1 , Compton, Brett Gibson; Maness, Samantha y Pack, Robert, "Espumas sintácticas de baja densidad mediante fabricación aditiva por extrusión de material", publicado el 18 de febrero de 2021 
  11. ↑ Hmeidat, Nadim S.; Elkins, Daniel S.; Peter, Hutchison R.; Kumar, Vipin; Compton, Brett G. (2021-10-15). "Procesamiento y caracterización mecánica de compuestos epoxi reforzados con fibra de carbono corta para fabricación aditiva por extrusión de material" . Composites Part B: Engineering . 223 109122. doi : 10.1016/j.compositesb.2021.109122 . ISSN 1359-8368 . 
  12. ↑ Hmeidat, Nadim S.; Pack, Robert C.; Talley, Samantha J.; Moore, Robert B.; Compton, Brett G. (2020-08-01). "Anisotropía mecánica en compuestos poliméricos producidos mediante fabricación aditiva por extrusión de material" . Additive Manufacturing . 34 101385. doi : 10.1016/j.addma.2020.101385 . ISSN 2214-8604 . S2CID 225351017 .  
  13. ^ Elsayed, Hamada; Rebesán, Pietro; Giacomello, Giovanni; Pasetto, Marco; Gardin, Chiara; Ferroni, Letizia; Zavan, Bárbara; Biasetto, Lisa (1 de octubre de 2019). "Escritura directa con tinta de estructuras reticulares porosas de titanio (Ti6Al4V)" . Ciencia e Ingeniería de Materiales: C. 103 109794.doi : 10.1016/ j.msec.2019.109794 . ISSN 0928-4931 . PMID 31349412 . S2CID 182555527 .   
  14. ↑ Franchin, Giorgia; Wahl, Larissa; Colombo, Paolo (octubre de 2017). "Escritura directa con tinta de estructuras compuestas de matriz cerámica" . Journal of the American Ceramic Society . 100 (10): 4397– 4401. doi : 10.1111/jace.15045 .
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  20. ↑ Kuhn, M.; Napporn, T.; Meunier, M.; Vengallatore, S.; Therriault, D. (2008). "Microfabricación por escritura directa de microceldas de combustible de óxido sólido de cámara única". Journal of Micromechanics and Microengineering . 18 (1) 015005. Bibcode : 2008JMiMi..18a5005K . doi : 10.1088/0960-1317/18/1/015005 . S2CID 55927188 . 
  • "Robocasting" . MIT Technology Review . 1 de mayo de 1999. Archivado del original el 14 de febrero de 2015.
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