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Approfondimenti sui parametri di stampa e caratterizzazione di strutture reticolari soft a superficie minima tripla periodica (TPMS) per ampliare le applicazioni basate sull’estrusione dei materiali
“La ricerca del 3D Printing Lab di NEMOLAB grazie alla partnership con Sharebot contribuisce a mettere un nuovo tassello per la conoscenza dei parametri di stampa e la caratterizzazione di architetture lattices TPMS altamente controllate e bio-ispirate per la medicina personalizzata e la bioingegneria”
Introduzione
Le strutture reticolari con superficie minima tripla periodica (TPMS) costruite utilizzando materiali soft sono solidi porosi morbidi applicabili in vari campi, tra cui la biomedicina, l’ingegneria dei tessuti, e aerospazio. Tali strutture sono rilevanti anche per la fabbricazione additiva per estrusione di materiali (MEAM), la cui ampia diffusione è fondamentale per favorirne il loro amplio utilizzo. Sebbene siano disponibili approcci progettuali per sfruttare il potenziale del TPMS morbido, esistono ancora vincoli di produzione che portano a limiti pratici sulla forma e sulle dimensioni delle strutture che possono essere prodotte a causa delle complessità legate alla stampa di materiali soft. Inoltre, i modelli computazionali che studiano l’effetto del tipo di cella, la frazione superficie-volume e la combinazione di diverse superfici periodiche (cioè graduate o ibride) sul comportamento meccanico di questi reticoli sono aspetti progettuali ancora dibattuti.
Qui, le capacità di MEAM mediante l’utilizzo della tecnologia FDM Sharebot QXXL di produrre strutture reticolari morbide su misura sono esplorate combinando un software di progettazione, analisi numeriche e test meccanici utilizzando filamenti a base di poliuretano termoplastico (TPU). Lo studio affronta problematiche di progettazione, approfondisce parametri di stampa ottimali e analizza una serie di parametri numerici, che possono essere utilizzati per la progettazione di strutture specifiche con comportamento meccanico regolabile, utili per la sanità e la bioingegneria.
Sono stati studiati i parametri di stampa di tre reticoli, ovvero schwartz-P, giroide e nido d’ape, con dimensioni delle celle unitarie che vanno da 3 a 12 mm. Il loro comportamento meccanico è stato studiato utilizzando simulazioni ad analisi di elementi finiti e test meccanici. Infine, è stata dimostrata la stampabilità di reticoli graduati e ibridi con capacità di carico dei cuscinetti migliorate.
Complessivamente, i nostri risultati hanno affrontato molteplici sfide associate allo sviluppo di scaffold a reticolo morbido con MEAM che possono essere utilizzati per fabbricare materiali innovativi con proprietà sintonizzabili.
Selezione dei parametri di stampa
Tutte le strutture reticolari sono state stampate in 3D utilizzando la macchina FFF Sharebot QXXL. I seguenti parametri sono stati mantenuti costanti: diametro dell’ugello (0,4 mm), riempimento (100%) e altezza dello strato (0,15 mm). I seguenti parametri sono stati ottimizzati per sondare la combinazione di stampa ottimale: temperatura di stampa, velocità di retrazione, distanza di retrazione, velocità di stampa, distanza di strofinamento, moltiplicatore di estrusione e velocità della ventola (Tabella 1). Ogni scaffold è stato modellato utilizzando FLatt Pack, quindi esportato in formato stereolitografia (.stl) e sliced utilizzando il software Simplify3D®. Per garantire l’adesione degli scaffold alla superficie della piattaforma di stampa, è stata utilizzata una colla stick 3D.
Design e stampabilità di strutture a reticolo morbido
Le celle unitarie a nido d’ape, schwartz-P e giroide sono state generate come matrici periodiche. Quindi, sono stati convertiti in strutture cubiche tridimensionali a partire dalle dimensioni di una cella e dalla sua frazione di volume (Figura 2). Inoltre, sfruttando la funzione di “stima superficie-volume”, è stato possibile stimare il rapporto superficie-volume per ciascuna cella su un intervallo di frazioni di volume e dimensioni delle celle. Questa caratteristica può fornire un criterio progettuale rilevante non solo per mettere a punto le strutture, ma anche quando l’applicazione prevista per il reticolo selezionato implica l’interazione della sua superficie con un ambiente specifico, ad esempio, per scaffold biologici, dove la quantità di superficie determina il numero di cellule che possono attaccarsi e crescere, o per impianti medici in cui deve essere garantito il trasferimento di calore attraverso la superficie a un mezzo fluido.
Parametri di stampa ottimizzati per nido d’ape (H), schwartz-P (SP) e giroide (G) con diverse dimensioni delle celle unitarie e uguale spessore di 1 mm.
A causa di vincoli topologici, la dimensione minima della cella unitaria consentita per la stampa a nido d’ape è di 3 mm (frazione di volume di 0,56), mentre per schwartz-P e giroide è di 6 mm (frazione di volume di 0,28 e 0,46 rispettivamente). Invece, il valore massimo di cella unitaria ottenibile è 6 mm per nido d’ape e 12 mm per schwartz-P e giroide. Quindi, una volta regolato il dimensionamento preliminare delle celle unitarie, tali reticoli sono stati stampati in 3D e analizzati tramite microscopia elettronica a scansione.
Sulla base dell’analisi SEM, i parametri di stampa ottimizzati hanno portato a risultati soddisfacenti per quanto riguarda la qualità di stampa complessiva dei campioni, considerando la natura flessibile del filamento e la complessità delle strutture. Osservando la superficie superiore di tutte le strutture reticolari, è possibile vedere un modo uniforme di riempimento senza detriti, stringhe all’interno della cella unitaria e lunghi grumi di filamenti. Inoltre, non ci sono vuoti visibili nelle pareti laterali o altre imperfezioni e irregolarità degli strati dopo il processo di fabbricazione.
Tali risultati sottolineano l’efficienza e la potenziale scalabilità del processo FFF Sharebot QXXL per produrre strutture reticolari morbide controllate con diverse dimensioni delle celle unitarie, tipi di reticolo, scale e parametri associati.
Cella
Reticolo
Stampa
Ingrandimento
Honeycomb
Schwartz-P
Gyroid
Progettare reticoli di matrice e corrispondenti impalcature morbide a nido d’ape, schwartz-P e giroide stampate in 3D costruite con il filamento TPU. Immagini SEM delle strutture reticolari basate su TPU. In tutti i campioni a nido d’ape e schwartz-P non si osservano difetti visibili, cedimenti e adesione impropria dello strato.
Simulazioni e risultati sperimentali per le strutture soft TPMS
Successivamente, abbiamo esaminato il comportamento di compressione su tutte le strutture utilizzando l’analisi FE lineare e test di compressione quasi statica. Utilizzando la simulazione FE, è stata ottenuta la quantità di forza applicata ed è stato quindi calcolato il modulo elastico di compressione equivalente come rapporto tra sollecitazione di compressione e deformazione di compressione nella direzione di interesse x, y, e z. I risultati delle simulazioni sono stati comparati con i test di compressione quasi statica.
I campioni a nido d’ape confermano quanto ottenuto dalle analisi numeriche. Questi campioni sono caratterizzati da un guadagno di massa, che aumenta il valore di Ey. Unica eccezione la struttura con cella unitaria di 3 mm che, nonostante l’aumento di massa, ha un valore di Ey leggermente inferiore (6,6 ± 0,52 MPa) a quello teorico (7,18 MPa). Questo comportamento potrebbe essere dovuto ad alcune piccole irregolarità sulle pareti di stampa. Per lo schwartz-P, nonostante l’aumento di massa, che caratterizza i campioni stampati in 3D, abbiamo registrato un valore Ey costantemente inferiore ai valori numerici. Il guadagno di massa è dovuto alla modifica del parametro del moltiplicatore di estrusione impostato a 1.1 per garantire la stampabilità della struttura.
Honeycomb
Schwartz-P
Gyroid
Teorico
Sperimentale
Raffronto
Progettare reticoli di matrice e corrispondenti impalcature morbide a nido d’ape, schwartz-P e giroide stampate in 3D costruite con il filamento TPU. Immagini SEM delle strutture reticolari basate su TPU. In tutti i campioni a nido d’ape e schwartz-P non si osservano difetti visibili, cedimenti e adesione impropria dello strato.
Conclusioni
Lo studio descrive le analisi numeriche e sperimentali eseguite per esplorare il comportamento di una selezione di reticoli, come il nido d’ape, lo schwartz-P e il giroide, stampati in 3D tramite Sharebot QXXL e utilizzando poliuretano termoplastico (TPU) come materia prima. Questi reticoli morbidi possono essere rilevanti per molteplici scopi, specialmente in campo biomedico. Potrebbero essere utilizzati per sviluppare scaffold biologici, impianti biomedici, strutture porose per colture cellulari 3D, ortesi morbide e cuscini morbidi per controllare le ulcere da pressione o le piaghe da decubito in pazienti con immobilità che sono costretti a utilizzare una sedia a rotelle. Potrebbero anche essere utilizzati in tutte le circostanze in cui vi è un contatto semipermanente con la pelle, come protesi per arti inferiori o maschere per ventilazione non invasiva (NIV) per sindrome respiratoria acuta grave coronavirus (SARS-CoV) o pazienti neuromuscolari.
Tuttavia, nonostante questa vasta gamma di possibili applicazioni, non ci sono ancora abbastanza studi che ne esaminino il comportamento e la fattibilità tecnica per quanto riguarda le questioni relative alla stampa. Questo documento supera questa lacuna proponendo una raccolta di linee guida di progettazione e stampa per la fabbricazione di queste strutture utilizzando il processo di fabbricazione di filamenti fusi (FFF). La scelta di questo processo di stampa è stata fatta apposta, considerando la sua ampia diffusione e flessibilità in termini di materiali potenzialmente stampabili in 3D, ad esempio combinando la matrice termoplastica con additivi specifici su misura per l’applicazione biomedica di interesse. Sono stati esplorati più parametri di progettazione e stampa. Abbiamo iniziato a definire le principali variabili di progettazione per gli scaffold, come il tipo di cella, la dimensione della cella unitaria e la frazione di volume. Queste variabili sono state combinate con i parametri di stampa selezionati per essere regolati per ottenere strutture autoportanti, stabili e risultati di stampa ripetibili.
I risultati ottenuti sono promettenti, ma sono necessari ulteriori sforzi di ricerca per estendere sempre più opportunità di ricerca nella progettazione e stampa di reticoli morbidi, considerando l’ampia gamma di applicazioni in cui potrebbero essere impiegati.
I risultati riportati in questo case study sono stati pubblicati sull’importante Rivista Scientifica Additive Manufacturing. Raffaele Pugliese et al. “Insights into the printing parameters and characterization of thermoplastic polyurethane soft triply periodic minimal surface and honeycomb lattices for broadening material extrusion applicability”. Additive Manufacturing, Volume 58, October 2022, 102976.
