I ricercatori dell’Università di Purdue hanno sviluppato un metodo brevettato che combina la poling piezoelettrica del filamento e la stampa 3D in un singolo processo. Grazie a questa tecnica chiamata electric poling-assisted additive manufacturing, o EPAM, le aziende produttrici di dispositivi medici intelligenti, robot intelligenti e altri prodotti con sensori intelligenti potrebbero semplificare la progettazione e la fabbricazione dei loro dispositivi.
I materiali sensoriali tradizionali hanno proprietà piezoelettriche che li rendono adatti per creare sensori intelligenti. L’applicazione di stress in una direzione produce una tensione in un’altra direzione. Sebbene questi materiali misurino quanto stress è stato applicato, che è tra le proprietà di base dei sensori, non possono essere utilizzati nella stampa 3D.
La stampa 3D, anche conosciuta come additiva, offre diversi vantaggi rispetto alla produzione tradizionale, tra cui la possibilità di personalizzare le forme e le geometrie dei pezzi che vanno oltre le opzioni planari. Tuttavia, il filamento in polivinilidenfluoruro (PVdf) utilizzato nella stampa 3D non ha forti proprietà piezoelettriche. I suoi dipoli sono orientati casualmente, il che produce una tensione inferiore. Come risultato, il filamento PVdf tradizionale non rappresenta un buon indicatore di stress, e la poling elettrica deve essere effettuata in un trattamento post-elaborazione, aumentando il tempo e il costo.
Gli scienziati hanno combinato la stampa 3D e la poling elettrica in un unico processo chiamato electric poling-assisted additive manufacturing, o EPAM. Allinea i dipoli nel filamento in PVdf durante la stampa, il che porta a una migliore indicazione dello stress che viene applicato. Ciò consente ai pezzi stampati in 3D di avere sia forti capacità di rilevamento che forme personalizzate. Importante, ciò permette di risparmiare tempo e denaro.
Il processo EPAM compie il stretching e la polarizzazione simultaneamente, due condizioni necessarie per la polarizzazione, ha spiegato Robert Nawrocki, professore assistente nella Scuola di Ingegneria Tecnologica dell’Istituto Politecnico di Purdue. “Durante il processo EPAM, lo stretching della verga PVdF fusa riorganizza le fibre amorfe nel piano del film, e il campo elettrico applicato allinea i dipoli verso la stessa direzione”, ha detto. “Il processo EPAM può stampare strutture PVdF free-form e indurre la formazione della fase β, che è principalmente responsabile della risposta piezoelettrica”.
Jose M. Garcia-Bravo, Brittany Newell, Robert Nawrocki e il candidato al dottorato Jinsheng Fan hanno stampato sensori di forza in PVdf utilizzando una stampante 3D a modellazione per deposizione fusa con un kit di poling elettrico a corona. “L’attività piezoelettrica, misurata in picoculomb per newton, o pC/N, è stata calcolata in base alla tensione di output piezoelettrica”, ha detto Nawrocki. “L’attività piezoelettrica media dei film EPAM-stampati in PVdF era di 47,76 pC/N, o circa cinque volte superiore ai film stampati in 3D non polarizzati, a 9,0 pC/N. L’attività piezoelettrica dei film PVdF stampati in 3D non polarizzati ha indicato che la stampa 3D in assenza di un campo elettrico non ha comportato l’allineamento dei dipoli”.
I risultati sono stati pubblicati nelle riviste Advanced Engineering Materials e Additive Manufacturing. Grazie a questa tecnica innovativa, i produttori di sensori intelligenti potrebbero semplificare la loro produzione, migliorando l’efficienza e riducendo i costi.
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