Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía diseñaron un polímero novedoso para unir y fortalecer la arena de sílice para la fabricación de aditivos de chorro de aglutinante, un método de impresión 3D utilizado por las industrias para la creación de prototipos y la producción de piezas.
El polímero imprimible permite estructuras de arena con geometrías intrincadas y una resistencia excepcional, y también es soluble en agua.
El estudio demuestra un puente de arena impreso en 3D que con 6,5 centímetros puede soportar 300 veces su propio peso, una hazaña análoga a 12 edificios Empire State colocados en el puente de Brooklyn.
El proceso de impresión por chorro de aglutinante es más barato y más rápido que otros métodos de impresión 3D utilizados por la industria y permite crear estructuras 3D a partir de una variedad de materiales en polvo, ofreciendo ventajas en costo y escalabilidad.
El concepto surge de la impresión por inyección de tinta, pero en lugar de usar tinta, el cabezal de la impresora expulsa un polímero líquido para unir un material en polvo, como arena, creando un diseño 3D capa por capa.
El polímero aglutinante es lo que le da resistencia a la arena impresa.
El equipo utilizó la experiencia en polímeros para diseñar un aglutinante de polietilenimina, o PEI, que duplicó la resistencia de las partes de arena en comparación con los aglutinantes convencionales.
Las piezas impresas mediante inyección de aglutinante son inicialmente porosas cuando se retiran de la cama de impresión.
Pueden reforzarse infiltrando el diseño con un material de superpegamento adicional llamado cianoacrilato que rellena los huecos.
Este segundo paso proporcionó un aumento de resistencia de ocho veces en la parte superior del primer paso, haciendo que un compuesto de arena de polímero sea más fuerte que cualquier otro y cualquier material de construcción conocido, incluida la mampostería.
“Pocos polímeros son adecuados para servir como aglutinante para esta aplicación.
Buscábamos propiedades específicas, como la solubilidad, que nos dieran el mejor resultado.
Nuestro hallazgo clave fue la estructura molecular única de nuestro aglutinante PEI que lo hace reactivo con el cianoacrilato para lograr una resistencia excepcional ”, dijo Tomonori Saito de ORNL, investigador principal del proyecto.
Las piezas formadas con aglutinantes convencionales se hacen más densas con materiales infiltrados, como el superpegamento, pero ninguno ha alcanzado el rendimiento del aglutinante PEI.
La impresionante fuerza del aglutinante de PEI se debe a la forma en que el polímero reacciona para unirse con el cianoacrilato durante el curado.
Una aplicación potencial de la arena superresistente es el avance de las herramientas para la fabricación de compuestos.
La arena de sílice es un material barato y fácilmente disponible que ha ido ganando interés en los sectores automotriz y aeroespacial para la creación de piezas compuestas.
Los materiales livianos, como la fibra de carbono o la fibra de vidrio, se envuelven alrededor de núcleos de arena impresos en 3D o “herramientas” y se curan con calor.
La arena de sílice es atractiva para las herramientas porque no cambia de dimensiones cuando se calienta y porque ofrece una ventaja única en las herramientas lavables.
En aplicaciones compuestas, el uso de un aglutinante soluble en agua para formar herramientas de arena es importante porque permite un simple paso de lavado con agua del grifo para eliminar la arena, dejando una forma compuesta hueca.
“Para garantizar la precisión en las piezas de las herramientas, se necesita un material que no cambie de forma durante el proceso, razón por la cual la arena de sílice ha sido prometedora.
El desafío ha sido superar la debilidad estructural en las partes de arena ”, dijo Dustin Gilmer, estudiante del Centro Bredesen de la Universidad de Tennessee y autor principal del estudio.
Los moldes y núcleos de fundición en arena actuales tienen un uso industrial limitado porque los métodos comerciales, como las herramientas de lavado, aplican calor y presión que pueden hacer que las piezas de arena se rompan o fallen en el primer intento.
Se necesitan piezas de arena más resistentes para respaldar la fabricación a gran escala y permitir una producción rápida de piezas.
“Nuestro compuesto de arena polimérica de alta resistencia eleva la complejidad de las piezas que se pueden fabricar con métodos de inyección de aglutinante, lo que permite geometrías más intrincadas y amplía las aplicaciones de fabricación, herramientas y construcción”, dijo Gilmer.
Fuente: ORNL
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