Sistema di estrusione di materiale ad alta gravità e miglioramento delle prestazioni dell'acido polilattico estruso

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14224 (2023) Citare questo articolo

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La produzione additiva (AM) ha guadagnato una notevole attenzione negli ultimi anni grazie alla sua capacità di fabbricare rapidamente e facilmente forme e geometrie complesse che sono difficili o impossibili da ottenere con i metodi di produzione tradizionali. Questo studio presenta lo sviluppo di un sistema di estrusione di materiale ad alta gravità (HG-MEX), che genera un campo ad alta gravità attraverso l'accelerazione centrifuga. In questo processo il materiale viene sciolto riscaldando l'ugello e successivamente depositato sulla piattaforma di costruzione. L’obiettivo principale di questa ricerca è valutare gli effetti positivi della gravità sull’estrusione del materiale (MEX), che è un aspetto chiave dell’AM. A tale scopo viene costruita una macchina combinata comprendente un'unità MEX e una centrifuga. Questo sistema HG-MEX viene utilizzato per analizzare e riflettere l'influenza della gravità sull'estrusione del materiale. Le valutazioni sperimentali dimostrano che l'applicazione dell'elevata gravità è un approccio promettente per migliorare la precisione della forma e le prestazioni delle parti fabbricate tramite MEX. In particolare, i nostri risultati confermano la fattibilità dell’utilizzo di MEX ad alta gravità per migliorare le prestazioni nei processi AM.

La produzione additiva (AM) viene generalmente utilizzata per creare oggetti tridimensionali aggiungendo in sequenza strati di materiale1. A differenza dei metodi di produzione tradizionali, l’AM può facilmente fabbricare forme e geometrie complesse che altrimenti sarebbero impegnative o irrealizzabili2,3,4,5. Inoltre, la gamma di materiali utilizzati nell’AM è diversificata e comprende plastica, metalli, ceramica e persino materiali biologici6,7,8,9,10. Di conseguenza, l’AM ha un’ampia gamma di applicazioni in settori quali quello aerospaziale, automobilistico e sanitario11. Pertanto, l’AM ha il potenziale per rivoluzionare la produzione consentendo una produzione più rapida, più efficiente e più personalizzata.

Una caratteristica notevole dell’AM è la sua capacità di facilitare la fabbricazione flessibile di forme complesse e modifiche progettuali individuali12. Sehhat et al.13,14 hanno studiato l'effetto della variazione di temperatura e del materiale sulle proprietà meccaniche delle parti fabbricate tramite modellazione a deposizione fusa (FDM). Inoltre, hanno convalidato la trasformazione dello stress in materiale anisotropo prodotto in modo additivo tramite FDM. Inoltre, Mohamed et al.15 hanno studiato l'ottimizzazione dei parametri del processo FDM. Inoltre, Charalampous et al.16 hanno studiato l’ottimizzazione del comportamento meccanico basata sull’apprendimento automatico di costrutti stampati in 3D prodotti tramite il processo FFF. Inoltre, Li et al.17 hanno studiato l'effetto dei parametri di processo nella modellazione della deposizione fusa sul grado di legame e sulle proprietà meccaniche. Si prevede che l’AM diventerà la tecnologia principale del sistema di produzione di prossima generazione18,19,20. Negli anni 2010, la NASA ha avviato test di stampa 3D nella Stazione Spaziale Internazionale, con l’obiettivo di garantire la sostenibilità in varie attività spaziali21. Dal 2020 in poi, i progetti a lungo termine che coinvolgono missioni lunari e marziane necessitano di capacità di manutenzione e riparazione in ambienti spaziali regolamentati. A questo proposito, l’AM ha raccolto un’attenzione significativa grazie alle sue eccellenti caratteristiche di risparmio di risorse e spazio22. Anche sulla Terra, gli esperimenti sul campo di microgravità sull’AM sono stati condotti sulla base di esperimenti di volo parabolico negli Stati Uniti, in Cina e in Germania23.

I suddetti sforzi di ricerca relativi all’AM in microgravità hanno rivelato che gli ambienti di microgravità non sono favorevoli al processo di fabbricazione. Nell’AM a microgravità, fissare il materiale sul palco è impegnativo e i cedimenti residui nel deposito non possono essere espulsi a causa dell’assenza di forze di galleggiamento. Diversi studi AM hanno tentato di realizzare un apporto di materiale denso ed eliminare i micropori nel deposito, anche in condizioni di 1 G24. Sulla base dei risultati riportati, ci aspettiamo che diversi indici di valutazione saranno migliorati in condizioni di 1 G. Pertanto, questa conclusione funge da motivazione per lo sviluppo di una nuova tecnologia AM che sfrutta livelli di gravità superiori a 1 G. A questo proposito, il sistema di estrusione di materiali ad alta gravità (HG-MEX) è una struttura specializzata progettata per operare in condizioni di alta gravità. -condizioni di gravità, creando così nuove opportunità per applicazioni commerciali e industriali. HG-MEX può potenzialmente affrontare alcune sfide relative all’AM nello spazio e in condizioni di microgravità. Pertanto, può svolgere un ruolo cruciale nel soddisfare la necessità di tecniche di produzione efficienti e affidabili e nel far avanzare l’AM negli ambienti spaziali e di microgravità.