Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia dos Estados Unidos, desenvolveram um novo polímero para ligar e fortalecer a areia de sílica para fabricação de aditivos de jato de aglutinante, um método de impressão 3D usado por indústrias para prototipagem e produção de peças.
O polímero imprimível permite estruturas de areia com geometrias intrincadas e resistência excepcional - e também é solúvel em água.
O estudo, publicado na Nature Communications, demonstra uma ponte de areia impressa em 3D que com 6,5 centímetros pode suportar 300 vezes seu próprio peso, um feito análogo a 12 edifícios Empire State situados na Brooklyn Bridge.
Imagem: Dustin Gilmer/University of Tennessee.
O processo de impressão a jato de ligante é mais barato e rápido do que outros métodos de impressão 3D usados pela indústria e torna possível criar estruturas 3D a partir de uma variedade de materiais em pó, oferecendo vantagens em custo e escalabilidade. O conceito vem da impressão a jato de tinta, mas em vez de usar tinta, o cabeçote da impressora injeta um polímero líquido para ligar um material em pó, como areia, criando um design 3D camada por camada. O polímero de ligação é o que dá força à areia impressa.
A equipe usou a experiência em polímeros para adaptar um aglutinante de polietilenoimina, ou PEI, que dobrou a resistência das peças de areia em comparação com os aglutinantes convencionais.
As peças impressas por jato de ligante são inicialmente porosas quando removidas da base de impressão. Eles podem ser reforçados infiltrando o design com um material de super cola adicional chamado cianoacrilato que preenche as lacunas. Esta segunda etapa proporcionou um aumento de resistência de oito vezes no topo da primeira etapa, tornando um composto de areia de polímero mais forte do que qualquer outro e quaisquer materiais de construção conhecidos, incluindo alvenaria.
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“Poucos polímeros são adequados para servir como aglutinante para esta aplicação. Procurávamos propriedades específicas, como solubilidade, que nos dessem o melhor resultado. Nossa principal descoberta foi a estrutura molecular única de nosso aglutinante PEI, que o torna reativo com cianoacrilato para atingir uma resistência excepcional ”, disse Tomonori Saito do ORNL, pesquisador líder do projeto.
As peças formadas com ligantes convencionais são tornadas mais densas com materiais infiltrados, como super cola, mas nenhum atingiu o desempenho do ligante PEI. A força impressionante do ligante PEI deriva da maneira como o polímero reage para se ligar ao cianoacrilato durante a cura.
Uma aplicação potencial para a areia super resistente é o avanço de ferramentas para a fabricação de compósitos.
A areia de sílica é um material barato e prontamente disponível que vem ganhando interesse nos setores automotivo e aeroespacial para a criação de peças compostas. Materiais leves, como fibra de carbono ou fibra de vidro, são enrolados em núcleos de areia impressos em 3D, ou “ferramentas”, e curados com calor. A areia de sílica é atraente para o ferramental porque não muda as dimensões quando aquecida e porque oferece uma vantagem única em ferramentas laváveis. Em aplicações compostas, usar um aglutinante solúvel em água para formar ferramentas de areia é significativo porque permite uma etapa simples de lavagem com água da torneira para remover a areia, deixando uma forma composta oca.
“Para garantir a precisão nas peças do ferramental, é necessário um material que não mude de forma durante o processo, por isso a areia sílica tem sido promissora. O desafio tem sido superar a fraqueza estrutural nas partes de areia”, disse Dustin Gilmer, aluno do University of Tennessee Bredesen Center e principal autor do estudo.
Os atuais moldes e machos de fundição em areia têm uso industrial limitado porque os métodos comerciais, como ferramentas de lavagem, aplicam calor e pressão que podem fazer com que as peças de areia quebrem ou quebrem na primeira tentativa. Peças de areia mais fortes são necessárias para apoiar a fabricação em grande escala e permitir a produção rápida de peças.
“Nosso composto de areia de polímero de alta resistência eleva a complexidade das peças que podem ser feitas com métodos de jato de aglutinante, permitindo geometrias mais complexas e ampliando as aplicações para manufatura, ferramentas e construção”, disse Gilmer.
O novo aglutinante ganhou o Prêmio R&D 100 de 2019 e foi licenciado pelo parceiro da indústria ExOne para pesquisa.
*Artigo original disponível aqui.
