När komplexiteten och tillämpningarna av additiv tillverkning ökar, Penn State-forskare gräver ner till minsta skala för att optimera tekniken på molekylär nivå.

"Det finns fortfarande mycket okänt om hur 3D-utskrift faktiskt fungerar, sade Adri van Duin, huvudutredare för projektet och professor i maskinteknik, kemiteknik, och ingenjörsvetenskap och mekanik vid Penn State. "För detta projekt, vi teoretiserade att du kunde lära dig mycket genom att titta på de olika molekylerna de arbetar med."

En tidning publicerad i Fysikalisk kemi Kemisk fysik Journalen beskriver hur forskare undersökte additiv tillverkningsmetoder och material med hjälp av simuleringar i atomistisk skala för att optimera deras prestanda för att i slutändan få starkare och mer användbara 3-D-tryckta komponenter.

"Vi gick ner till den mest grundläggande nivån, tittar på den fysikaliska kemin och styrkorna hos dessa molekylära interaktioner, sa van Duin.

Specifikt, hans team granskade reaktionerna som inträffade i en bindemedelsstrålelösning som används för 3-D-utskrift, som i huvudsak fungerar som limet som binder samman de tryckta lagren av primära material.

"Du vill att limmet ska organisera sig i utrymmet mellan nanopartiklarna, ", sa van Duin. "Det är också idealiskt om molekylerna fortfarande har förmågan att röra sig."

För syftet med denna studie, van Duin och hans team skapade ett beräkningsramverk med hjälp av ReaxFF, ett program för att modellera atomistiska kemiska reaktioner, att studera nanopartiklar av kromoxid, en metall som vanligtvis används vid additiv tillverkning, och bindemedel som innehåller vattenbaserade dietylenglykollösningar som bildar starka kopplingar genom ett nätverk av vätebindningar.

"Designfokus är att modifiera dessa komponenter och undersöka effekterna av temperaturfaser för att få optimal bindningsstyrka, samtidigt som molekylerna kan röra sig på ytan tillsammans, sa van Duin.

Efter att dessa molekyler framgångsrikt har bundits samman, de höga temperaturerna i en 3D-skrivare som behövs för härdning och sintring kokar i huvudsak bort de nu onödiga organiska molekylerna, samtidigt som metalloxiderna hålls samman i det färdiga stycket. Enligt det beräkningsramverk som utformats för experimentet, om dessa temperaturer är för höga, det kan istället bränna ut dessa avgörande bindningar och resultera i en nedbrytning av den slutliga biten.

Dock, van Duin och teamet av forskare fann att genom att justera mängderna dietylenglykol och vatten som finns i bindemedelslösningen, de kan intensifiera förekomsten av starka vätebindningar, vilket gjorde att det blandade materialet kunde stå emot och frodas under högre temperaturer.

Medan resultaten av detta experiment har förutspått förmågan att förbättra skapandet av 3-D-tryckta delar med hjälp av kromoxidpartiklar, den verkliga styrkan i denna forskning ligger i beräkningsmodellerna. Med skapandet av detta ramverk, dessa experiment kan användas för att hitta den optimala bindemedelskemin, härdnings- och sintringsförhållanden för alla potentiella material som kan användas i additiv tillverkning.

"När du förstår hur starka bindningar kan bildas, vi kan tillämpa det på vad vi vill, " sa van Duin. "Om vi ​​vill prova det här med peptider, vi kan simulera det."

Beräkningarna är billiga och slutförda på relativt kort tid, som gör det möjligt för forskare att undersöka och modellera nya organiska molekyler för att se vilka metoder och material som är mest lovande för additiv tillverkning.

Forskningen är resultatet av ett fröbidrag från Penn State Institute for Computational and Data Sciences (ICDS), tidigare Institutet for CyberScience, som visar den inneboende tvärvetenskapliga karaktären hos additiv tillverkningsområdet.

Dessutom, denna forskning samlade van Duin och Guha Manogharan, biträdande professor i maskinteknik och industriteknik vid Penn State, som är specialiserad på additiv tillverkning. Eftersom många av hans projekt arbetar mycket med bindemedelssprutningslösningar, Manogharan försökte se bortom de traditionella gränserna för tillverkningsoptimeringar.

"Detta är ett bra exempel på stöd från kompletterande institut och centra i Penn State där styrkan i mitt labb, SHAPE Lab (Systems for Hybrid Additive Manufacturing), inom additiv tillverkning, är sömlöst integrerat med ICDS:s starka kapacitet för att utforska ett okänt men kritiskt forskningsområde, " sa Manogharan.

Att ge ytterligare förståelse för hur molekyler kan modifieras och förbättras innan de någonsin kommer in i en 3D-skrivare är ett område där forskarna ser mycket lovande.

"Genom att förstå processen på en nanoskala, vi behöver inte designa om en skrivare, ", sa van Duin. "Men du kan avsevärt påskynda optimeringen av tillverkningen."