Queda magneticamente assistida

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 5015 (2022) Citar este artigo

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Compósitos microestruturados com enchimentos organizados hierarquicamente fabricados por impressão tridimensional (3D) mostram propriedades aprimoradas ao longo da direção de alinhamento dos enchimentos. No entanto, ainda é um desafio conseguir um bom controle do arranjo de carga e alta concentração de carga simultaneamente, o que limita as propriedades do material impresso. Neste estudo, desenvolvemos uma técnica de impressão 3D drop-on-demand magneticamente assistida (MDOD) para imprimir compósitos reforçados com microplaquetas alinhadas. Ao executar a impressão sob demanda usando tintas aquosas em suspensão enquanto aplica um campo magnético externo, o MDOD pode imprimir compostos com cargas de microplaquetas alinhadas em ângulos definidos com altas concentrações de carga de até 50% em volume. Além disso, o MDOD permite impressão multimaterial com controle voxelado. Mostramos os recursos do MDOD imprimindo sensores piezoresistivos multimateriais com desempenhos ajustáveis ​​com base na microestrutura e composição locais. O MDOD cria, assim, um grande espaço de design para aprimorar as propriedades mecânicas e funcionais de dispositivos eletrônicos ou sensores impressos em 3D usando uma ampla gama de materiais.

A impressão tridimensional (3D) é uma tecnologia de fabricação que gera estruturas 3D de forma livre usando a deposição de camada por camada. Tradicionalmente, a impressão 3D é usada para prototipagem de pequenos lotes com compatibilidade limitada de materiais. No entanto, avanços recentes permitiram que mais classes de materiais fossem impressas em 3D para uso em campos multidisciplinares, como aeroespacial, robótica, aplicações biomédicas e eletrônicas1,2,3,4. Mais recentemente, a impressão 3D foi estendida para fabricar compósitos microestruturados que consistem em reforços anisotrópicos 1D fibrosos 1D ou 2D em forma de placa. Os compósitos microestruturados são interessantes porque dão origem a propriedades superiores. Por exemplo, Bouligand bioinspirado e estruturas semelhantes a nácar são formadas por camadas empilhadas de fibras rígidas alinhadas e plaquetas, respectivamente, dentro de uma matriz macia. Essas estruturas têm alta rigidez devido ao alto teor de carga, enquanto sua arquitetura em camadas endurece a estrutura5. Além das propriedades mecânicas, compósitos microestruturados contendo cargas funcionais, como grafeno alinhado ou microplaquetas hexagonais de nitreto de boro (hBN), também exibem propriedades térmicas e elétricas aprimoradas6,7. Embora o progresso emocionante tenha sido feito no campo da impressão 3D, ainda é um desafio fabricar esses compósitos microestruturados devido à complexa estrutura em camadas anisotrópica e multimaterial necessária.

Uma estratégia para imprimir compósitos microestruturados é usar métodos multimateriais, como impressão em polyjet ou modelagem por deposição fundida para imprimir combinações de materiais macios e rígidos8,9,10. No entanto, essas técnicas são geralmente limitadas à impressão de polímeros com propriedades mecânicas variadas e não podem realizar totalmente as mesmas propriedades que os compósitos contendo enchimentos rígidos reais. Os métodos atuais que utilizam tintas contendo enchimentos rígidos geralmente fazem uso de alinhamento induzido por cisalhamento ou campo assistido dos enchimentos11,12. A impressão 3D de compósitos microestruturados reforçados por cargas 1D é mais fácil de conseguir, pois as cargas só precisam ser alinhadas ao longo de uma direção. Por outro lado, a fabricação de compósitos 2D microestruturados à base de plaquetas é mais exigente, pois as cargas têm um eixo adicional para alinhar. Apesar disso, a impressão 3D de compósitos à base de plaquetas tem sido realizada em vários grupos de pesquisa. Yang et ai. Estruturas de nanoplaquetas de grafeno inspiradas em nácar impressas em 3D dentro de uma resina fotocurável usando um método de estereolitografia assistida por campo elétrico (SLA)13. Campos magnéticos também têm sido usados ​​de maneira semelhante para alinhar biaxialmente microplaquetas de alumina em polímeros fotocuráveis ​​impressos em 3D14,15. Embora esses métodos sejam eficazes na impressão de materiais microestruturados, o uso de tintas poliméricas fotocuráveis ​​limita as cargas de enchimento, pois altas cargas de enchimento levam a altas viscosidades de tinta que impedem a rotação das microplaquetas durante o alinhamento. Como resultado, os compósitos finais geralmente têm cargas sólidas baixas de <15 vol%, o que limita suas propriedades. Para fabricar compósitos com cargas sólidas mais altas, Feilden et al. usou escrita com tinta direta (DIW) para imprimir compósitos cerâmicos usando uma tinta de hidrogel à base de alumina. As forças de cisalhamento desenvolvidas durante a impressão alinharam as microplaquetas ao longo da circunferência circular do bico dispensador16. Embora amostras com alto teor de sólidos de ~50 vol% tenham sido impressas, o alinhamento do preenchimento não pode ser controlado livremente. Portanto, seria altamente desejável uma técnica de impressão que permitisse o controle da orientação da carga, mantendo altas cargas de sólidos nas estruturas impressas.