Caduta magneticamente assistita

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5015 (2022) Citare questo articolo

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I compositi microstrutturati con riempitivi disposti gerarchicamente fabbricati mediante stampa tridimensionale (3D) mostrano proprietà migliorate lungo la direzione di allineamento dei riempitivi. Tuttavia, è ancora difficile ottenere contemporaneamente un buon controllo della disposizione dei riempitivi e un'elevata concentrazione dei riempitivi, il che limita le proprietà del materiale stampato. In questo studio, sviluppiamo una tecnica di stampa 3D drop-on-demand (MDOD) magneticamente assistita per stampare compositi rinforzati con micropiastrine allineate. Eseguendo la stampa drop-on-demand utilizzando inchiostri con impasto liquido applicando un campo magnetico esterno, MDOD può stampare compositi con riempitivi micropiastrinici allineati ad angoli prestabiliti con elevate concentrazioni di riempitivo fino al 50 vol%. Inoltre, MDOD consente la stampa multimateriale con controllo voxelato. Mostriamo le capacità di MDOD stampando sensori piezoresistivi multimateriali con prestazioni regolabili in base alla microstruttura e alla composizione locale. MDOD crea quindi un ampio spazio di progettazione per migliorare le proprietà meccaniche e funzionali dei dispositivi elettronici o di rilevamento stampati in 3D utilizzando un’ampia gamma di materiali.

La stampa tridimensionale (3D) è una tecnologia di produzione che genera strutture 3D a forma libera utilizzando la deposizione strato per strato. Tradizionalmente, la stampa 3D viene utilizzata per la prototipazione di piccoli lotti con compatibilità dei materiali limitata. Tuttavia, i recenti progressi hanno consentito di stampare in 3D più classi di materiali da utilizzare in campi multidisciplinari come l’aerospaziale, la robotica, le applicazioni biomediche ed elettroniche1,2,3,4. Più recentemente, la stampa 3D è stata estesa per fabbricare compositi microstrutturati costituiti da riempitivi di rinforzo anisotropi fibrosi 1D o 2D a forma di piastra disposti in modo ordinato. I compositi microstrutturati sono interessanti poiché danno origine a proprietà superiori. Ad esempio, il Bouligand bioispirato e le strutture simili alla madreperla sono formati da strati impilati rispettivamente di fibre rigide e piastrine allineate, all’interno di una matrice morbida. Queste strutture hanno un'elevata rigidità grazie all'elevato contenuto di riempitivo, mentre la loro architettura a strati rinforza la struttura5. Oltre alle proprietà meccaniche, i compositi microstrutturati contenenti riempitivi funzionali come le micropiastrine di grafene allineato o di nitruro di boro esagonale (hBN) mostrano anche proprietà termiche ed elettriche migliorate6,7. Sebbene siano stati compiuti progressi entusiasmanti nel campo della stampa 3D, è ancora difficile fabbricare questi compositi microstrutturati a causa della complessa struttura a strati anisotropa e multimateriale richiesta.

Una strategia per stampare compositi microstrutturati consiste nell'utilizzare metodi multimateriali come la stampa polyjet o la modellazione a deposizione fusa per stampare combinazioni di materiali morbidi e rigidi8,9,10. Tuttavia, tali tecniche sono solitamente limitate alla stampa di polimeri con proprietà meccaniche diverse e non possono realizzare pienamente le stesse proprietà dei compositi contenenti veri e propri riempitivi rigidi. Gli attuali metodi che utilizzano inchiostri contenenti riempitivi rigidi generalmente si avvalgono dell'allineamento dei riempitivi indotto dal taglio o assistito sul campo11,12. La stampa 3D di compositi microstrutturati rinforzati da riempitivi 1D è più facile da ottenere poiché i riempitivi devono essere allineati solo lungo una direzione. Al contrario, la fabbricazione di compositi microstrutturati a base di piastrine 2D è più impegnativa poiché i riempitivi hanno un asse aggiuntivo da allineare. Nonostante ciò, la stampa 3D di compositi a base di piastrine è stata realizzata in vari gruppi di ricerca. Yang et al. Strutture di nanopiastrine di grafene ispirate alla madreperla stampate in 3D all'interno di una resina fotopolimerizzabile utilizzando un metodo di stereolitografia assistita da campo elettrico (SLA)13. I campi magnetici sono stati utilizzati anche in modi simili per allineare biassialmente le micropiastrine di allumina nei polimeri fotoindurenti stampati in 3D14,15. Sebbene questi metodi siano efficaci nella stampa di materiali microstrutturati, l'uso di inchiostri polimerici fotoinduribili limita i carichi di riempitivo poiché carichi di riempitivo elevati portano a viscosità elevate dell'inchiostro che impediscono la rotazione delle micropiastrine durante l'allineamento. Di conseguenza, i compositi finali hanno spesso carichi solidi bassi, <15% in volume, che ne limitano le proprietà. Per fabbricare compositi con carichi solidi più elevati, Feilden et al. ha utilizzato la scrittura diretta con inchiostro (DIW) per stampare compositi ceramici utilizzando un inchiostro idrogel a base di allumina. Le forze di taglio sviluppate durante la stampa hanno allineato le micropiastrine lungo la circonferenza circolare dell'ugello di erogazione16. Sebbene siano stati stampati campioni con un elevato contenuto di solidi pari a circa il 50% in volume, l'allineamento del riempitivo non può essere controllato liberamente. Pertanto, sarebbe altamente desiderabile una tecnica di stampa che consenta il controllo dell'orientamento del riempitivo pur mantenendo elevati carichi di solidi nelle strutture stampate.