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El medio de impresión en la escritura de tinta directa (DIW) reside en la fase líquida (tinta) que se descarga de la boquilla a caudales controlados para depositarse en una ruta predefinida para producir estructuras tridimensionales (3D) capa por capa.
![Procesamiento rápido y sin moho de resinas duroplásticas](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39626_16620433833773225.jpg)
Estudio: fabricación aditiva de termoestables cargados con nanotubos mediante escritura directa con tinta y calentamiento y curado por radiofrecuencia. Crédito de la foto: MarinaGrigorivna/Shutterstock.com
Si bien el DIW tradicional de las resinas termoestables depende de la viscosidad, la química de reticulación y el curado en un horno, el nuevo enfoque, publicado en la revista Carbon, analizó el uso de un aplicador de radiofrecuencia (RF) para el calentamiento espontáneo de las resinas compuestas en la fabricación aditiva. .
El aplicador de RF coplanar generó un campo eléctrico utilizado para calentar y curar rápidamente las resinas compuestas durante la fabricación aditiva, eliminando un paso adicional para curar las muestras. El ciclo iterativo de impresión y curado en el presente enfoque permitió que las estructuras multicapa se imprimieran con alta resolución.
El aplicador de HF curó parcialmente la capa extruida antes de aplicar la capa posterior, manteniendo la integridad estructural de la pieza impresa. En comparación con el proceso de fabricación tradicional, el método actual redujo el tiempo de contacto y aumentó el rendimiento. Así, el presente trabajo ha demostrado que el calentamiento por HF es una alternativa práctica a los métodos tradicionales de curado en horno.
Fabricación aditiva en impresión 3D
Al calentar y curar los polímeros termoendurecibles, se forman redes reticuladas que se caracterizan por una alta resistencia mecánica, estabilidad térmica y resistencia a la degradación química. Estas propiedades hacen que los termoestables sean deseables para diversas aplicaciones en estructuras de baterías, aeroespaciales y automotrices.
Los procesos de fabricación convencionales para polímeros termoestables usan moldes para curar las matrices de resina en un horno de alta temperatura. Sin embargo, estos métodos son lentos, consumen mucha energía y mano de obra, y requieren moldes para piezas específicas que son difíciles de fabricar.
Las limitaciones anteriores de los métodos de fabricación tradicionales se superan con la fabricación aditiva, lo que permite una fabricación más rápida y eficiente de estructuras con geometrías personalizadas. La impresión 3D es un proceso de fabricación aditiva para producir una amplia variedad de estructuras y geometrías complejas a partir de datos de modelos 3D. El proceso consiste en imprimir sucesivas capas de material que se van formando una encima de otra.
La fabricación aditiva de resinas reticulables mediante impresión DIW se ha limitado hasta ahora a materiales fotoendurecibles. Aunque esta impresión 3D podría aplicarse para imprimir resinas de curado dual, estas requerían la incorporación de materiales fotocurables en termoestables para crear resinas fotoactivadas y químicamente activadas.
Sin embargo, el proceso de curado dual cambia la química de la resina y hace que el material sea curable con luz ultravioleta (UV), lo que limita el uso de resinas fotocurables. Por otro lado, la fabricación aditiva de termoestables basada en polimerización frontal (FROMP) implica una onda de reacción de propagación que permite una rápida reticulación del monómero inicial. Sin embargo, este método limita el número de compuestos químicos de resina que se pueden imprimir.
Fabricación aditiva mediante calentamiento y curado DIW y HF
La calefacción HF tiene una mejor eficiencia energética y requisitos de infraestructura bajos, y ofrece tasas de calefacción más rápidas que los métodos de calefacción tradicionales. Por lo tanto, reemplazar los hornos tradicionales con aplicadores de RF sin contacto puede permitir el curado fuera del horno en la fabricación aditiva.
Si bien estudios anteriores han destacado la fabricación de estructuras multicapa mediante calentamiento por radiofrecuencia para curar resinas epoxi termoestables llenas de nanotubos de carbono (CNT). El presente estudio demostró un nuevo proceso que implica ciclos de impresión y curado capa por capa para la fabricación aditiva multicapa.
Los métodos informados anteriormente tenían una resolución limitada de la estructura multicapa impresa debido a la difusión térmica en el depósito de resina, lo que generaba bordes y superficies ásperos. Sin embargo, el presente método dio como resultado una alta resolución de las estructuras multicapa fabricadas con superficies lisas y una morfología sin poros, lo que demuestra los beneficios del calentamiento por radiofrecuencia en la fabricación aditiva.
En el presente estudio, cada capa impresa se curó parcialmente mediante calentamiento por radiofrecuencia utilizando una impresora DIW antes de aplicar la capa siguiente. El ciclo de curado a presión ayudó a mantener la integridad de la estructura impresa al sostenerse sin colapsar las capas impresas posteriores.
Aunque estudios anteriores mencionaron el uso de calentamiento HF para curar epoxis termoestables llenos de CNT, el presente trabajo destacó los cambios en las propiedades reológicas de la resina con la adición de CNT, lo que permite un DIW de resina sin reducir la presión a mitad de camino colapsa. Además, la adición de CNT mejoró la conductividad eléctrica de las resinas.
Conclusión
En resumen, se demostró un método novedoso para la fabricación aditiva de nanocompuestos termoestables utilizando DIW. El ciclo repetitivo de impresión y curado permitió la construcción de piezas termoestables multicapa, evitando el uso de nuevos productos químicos o modificadores de viscosidad en la fabricación aditiva.
La respuesta de HF y las propiedades reológicas de la resina se analizaron con diferentes cargas de nanotubos de carbono, evaluando la carga adecuada de nanotubos de carbono antes de imprimir formas complejas con alta resolución. La caracterización termoquímica de las resinas impresas mostró que la muestra termocurada por radiofrecuencia tenía valores de módulo de almacenamiento más altos que las muestras curadas en horno.
Además, las muestras curadas con HF mostraron una mejor resistencia a la tracción que sus contrapartes curadas en horno debido a la morfología suave y sin burbujas obtenida a través del proceso de curado con HF, como se observa en las imágenes del microscopio electrónico de barrido (SEM).
El presente trabajo demostró la impresión DIW y el calentamiento por RF localizado como un enfoque conveniente para la fabricación aditiva de nanocompuestos termoestables. Los resultados de la simulación mostraron las perspectivas de la metodología de fabricación aditiva en la impresión de forma libre de formas complejas.
Relación
Sarmah, A. et al. (2022). Fabricación aditiva de termoestables cargados con nanotubos mediante escritura directa con tinta y calentamiento y curado de alta frecuencia. Carbón. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622322006868
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