ES2894868T3

ES2894868T3 - Fabricación aditiva de materiales compuestos de fibras discontinuas utilizando campos magnéticos

Info

Publication number: ES2894868T3
Application number: ES15803133T
Authority: ES
Inventors: Randall Erb; Joshua Martin
Original assignee: NORTHEASTERN, University of
Current assignee: NORTHEASTERN, University of
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2022-02-16
Anticipated expiration: 2035-06-08
Also published as: EP3152772B1; US20170136699A1; CN106716574B; JP6849588B2; JP2017527474A; US10703052B2; CN106716574A; EP3152772A4; EP3152772A1; WO2015188175A1

Abstract

Un método para la producción de una pieza de material compuesto, que comprende las etapas consecutivas de: (a) introducir un material precursor en forma líquida en una primera capa adyacente a la placa de construcción, el material precursor que comprende un material de matriz y partículas magnéticamente sensibles, las partículas magnéticamente sensibles que comprenden un material magnético y el material de matriz que comprende un precursor de un polímero; (b) orientar las partículas magnéticamente sensibles en una primera alineación con un primer campo magnético; (c) consolidar una primera porción del material de matriz en la primera capa formando un polímero con las partículas magnéticamente sensibles dentro de la primera porción mantenida en la primera alineación, consolidando un primer subconjunto de vóxeles discretos; (d) orientar una porción adicional de las partículas magnéticamente sensibles en una alineación adicional diferente de la primera alineación con un campo magnético adicional; y (e) consolidar una porción adicional del material de matriz en la primera capa formando un polímero con las partículas magnéticamente sensibles dentro de una porción adicional mantenida en la alineación adicional, consolidando un subconjunto adicional de vóxeles discretos.

Description

DESCRIPCIÓN

Fabricación aditiva de materiales compuestos de fibras discontinuas utilizando campos magnéticos

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica prioridad bajo 35 § 119(e) de la solicitud provisional estadounidense No. 62/008,914 presentada el 6 de junio de 2014, titulada “Método para la producción de arquitecturas de fibra discontinua en procesos de fabricación aditiva con campos magnéticos”.

Declaración referente a la investigación o el desarrollo patrocinados por el gobierno federal N/A

Antecedentes

La fabricación aditiva (algunas veces denominada impresión en 3D) se utiliza para fabricar estructuras complejas tridimensionales de diversos materiales, tales como polímeros, metales, y cerámica, con niveles de resolución por debajo de decenas de micrómetros. Se han producido mediante estas técnicas estructuras mecánicas que soportan carga desde engranajes a boquillas de combustible convencionales para motores a reacción.

La impresión de polímeros ha sido lograda principalmente mediante una extrusión basada en métodos de escritura directa para termoplásticos y estereolitografía (SLA) basada en fotopolimerización tanto para termoplásticos como para termoendurecibles. Los polímeros impresos son ligeros pero relativamente débiles. Por tanto, la impresión en 3D se está moviendo en la actualidad hacia la fabricación de materiales compuestos de polímero reforzado con fibra. Se han desarrollado impresoras de colocación de fibra automatizada (AFP) industriales, las cuales pueden imprimir fibra de carbono de hilo continuo, Kevlar y polímero reforzado con fibra de vidrio. Estas impresoras de colocación robótica están limitadas a fibras de refuerzo con escalas de longitud mayor de milímetros y geometrías mayores de centímetros con control de orientación limitado al plano X-Y.

Erb y otros (“Materiales compuestos reforzados en tres dimensiones mediante la utilización de campos magnéticos bajos” Ciencia, vol. 335, págs. 199-204) describe que partículas reforzadas del tamaño de micrómetro recubiertas con concentraciones mínimas de nanopartículas superparamagnéticas pueden controlarse utilizando campos magnéticos ultrabajos para producir materiales compuestos sintéticos con una orientación tridimensional y una distribución de refuerzos afinados.

Resumen de la invención

La invención proporciona una técnica de fabricación aditiva que emplea un conjunto coloidal en tiempo real para crear arquitecturas de refuerzo discontinuas altamente programables, en las cuales la orientación de las fibras se puede controlar de forma precisa.

Un aspecto de la invención es un método para la producción de una pieza de material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1.

En un aspecto adicional del método, las etapas (d) y (e) se repiten hasta que se ha consolidado una porción determinada del material de matriz en la primera capa.

En un aspecto adicional del método, en las etapas (c) y (e), el material de matriz es parcialmente curado, totalmente curado, solidificado, polimerizado o reticulado.

En un aspecto adicional del método, cuando se ha consolidado una porción deseada del material de matriz en la primera capa, esta primera capa es retirada de la placa de construcción y se introduce un material precursor adicional adyacente a la placa de construcción en una segunda capa y adyacente a la primera capa.

En un aspecto adicional, el método además comprende:

(g) introducir un material precursor adicional en una segunda capa adyacente a la primera capa,

(h) orientar las partículas en la segunda capa en una tercera alineación con un campo magnético;

(i) consolidar una primera porción del material de matriz en la segunda capa con partículas magnéticamente sensibles dentro de la primera porción mantenida en la tercera alineación;

(j) orientar una porción adicional de las partículas magnéticamente sensibles en una cuarta alineación con un campo magnético diferente del de la tercera alineación;

(k) consolidar una segunda porción del material de matriz en la segunda capa para consolidar el material de matriz con las partículas magnéticamente sensibles dentro de la segunda porción mantenida en la cuarta alineación;

(l) repetir las etapas (j) y (k) hasta que se haya consolidado una porción deseada del material de matriz en la segunda capa.

El primer y los campos magnéticos adicionales se pueden aplicar mediante una o más fuentes de campo magnético paralelas a un plano de la primera capa y una o más fuentes de campo magnético fuera del plano de la primera capa. Los vóxeles de la primera porción se pueden intercalar con los vóxeles de la porción adicional.

Cada vóxel puede tener una resolución de al menos aproximadamente 50 x 50 x 50 micrones.

Cada capa puede tener un grosor de al menos aproximadamente 50 micrones.

En un aspecto adicional del método, el material magnético comprende un material ferromagnético, un material paramagnético, un material superparamagnético, óxido de hierro, hierro, cobalto, níquel, una aleación de hierro, una aleación de cobalto o una aleación de níquel.

En un aspecto adicional del método, el material magnético comprende partículas, microperlas, nanopartículas, limaduras, fibras, copos, bastoncillos, filamentos delgados o plaquetas.

En un aspecto adicional del método, las partículas magnéticamente sensibles comprenden un material no magnético acoplado con el material magnético.

En un aspecto adicional del método, el material no magnético comprende óxido de aluminio, fosfato de calcio, cobre, vidrio, sulfato de calcio, nylon, poliestireno o carburo de silicio.

El material no magnético puede comprender fibras, bastoncillos, plaquetas, copos o filamentos delgados discontinuos. El material no magnético puede estar recubierto de un material magnético.

Las partículas magnéticamente sensibles pueden tener una forma anisotrópica en al menos una dimensión.

Las partículas magnéticamente sensibles pueden tener una dimensión más larga que varía de 200nm a 1000|jm. Las partículas magnéticamente sensibles pueden tener una dimensión más larga que varía de 1pm a 20|jm.

Las partículas magnéticamente sensibles pueden tener una relación de aspecto que varía de 2 a 200.

En un aspecto adicional del método, el material de matriz comprende un fotopolímero y en la etapa (c) y en la etapa (e), el material de matrices curado mediante una iluminación de vóxeles seleccionados del material de matriz con radiación que tiene una longitud de onda seleccionada para efectuar un curado del fotopolímero.

La fuente de radiación puede variar de 300nm a 900nm de longitud de onda.

La fuente de radiación puede variar de ultravioleta a infrarroja.

En un aspecto adicional del método, el material de matriz comprende un material acrílico fotocurable, un material de polimetilmetacrilato (PMMA) o un material de poliuretano.

El material de matriz del material precursor puede tener una viscosidad antes de la consolidación que varía de 0,7mPa.s a 10Pa.s.

El material precursor puede comprender un fotopolímero basado en acrílico y partículas de plaqueta de óxido de aluminio de refuerzo etiquetadas con nanopartículas de óxido de hierro.

Una pieza de material compuesto puede comprender partículas magnéticamente sensibles embebidas en un material de matriz, una pluralidad de las partículas magnéticamente sensibles dentro de una única capa que tiene diferentes orientaciones en el material de matriz, la pieza que tiene al menos una de una propiedad mecánica, una propiedad térmica, una propiedad eléctrica, una propiedad electromagnética y una propiedad óptica que es anisotrópica.

La propiedad puede comprender al menos una de, resistencia a la tracción, conductividad térmica, conductividad eléctrica, opacidad o color.

La pieza puede comprender un vehículo microaéreo, un tubo de catéter, un implante biocompatible, un dispositivo de prótesis o un dispositivo de ortesis, un componente aeroespacial, una pieza electrónica embebida, un casco, un accesorio para la cabeza, un molde para una parte del cuerpo, un elemento de ferretería mecánico un refuerzo alrededor de una abertura.

Un medio legible por ordenador puede almacenar instrucciones que, cuando se ejecutan por al menos una unidad de procesador de un dispositivo de fabricación aditiva, provoca que el dispositivo de fabricación aditiva genere objetos tridimensionales que comprenden una pieza de material compuesto, la pieza de material compuesto que comprende: partículas magnéticamente sensibles embebidas en un material de matriz, una pluralidad de las partículas magnéticamente sensibles dentro de una única capa que tiene diferentes orientaciones en el material de matriz, la pieza que tiene al menos una de, una propiedad mecánica, una propiedad térmica, una propiedad eléctrica y una propiedad óptica que es anisotrópica.

Un aspecto adicional más de la invención es un aparato para la producción de una pieza de material compuesto de acuerdo con la reivindicación 9.

La pluralidad de fuentes de campo magnético se dispone para aplicar un campo magnético que tiene un componente de líneas de campo en el plano paralelo a la placa de construcción y un componente de las líneas de campo en un plan ortogonal a la placa de construcción.

En un aspecto adicional del aparato, la pluralidad de fuentes de campo magnético incluye al menos dos fuentes de campo magnético dispuestas para aplicar un campo magnético en una orientación paralela a un plano de la placa de construcción y al menos unas fuentes de campo magnético dispuestas para aplicar un campo magnético en una orientación fuera del plano del plano de la placa de construcción.

La pluralidad de fuentes de campo magnético puede además incluir al menos dos fuentes de campo magnético adicionales dispuestas para aplicar un campo magnético en la orientación paralela al plano de la placa de construcción. Las al menos dos fuentes de campo magnético en la orientación paralela al plano de la placa de construcción se pueden disponer formando un ángulo recto entre sí.

En un aspecto adicional del aparato, al menos una porción de la pluralidad de fuentes de campo magnético está soportada para el movimiento alrededor del plano de la placa de construcción.

En un aspecto adicional del aparato, al menos una porción de la pluralidad de fuentes de campo magnético está soportada para el movimiento alrededor de un plano paralelo al plano de la placa de construcción.

En un aspecto adicional del aparato, cada una de las fuentes de campo magnético comprende un solenoide o un electroimán.

En un aspecto adicional del aparato, cada una de las fuentes de campo magnético en un plano paralelo al plano de la placa de construcción comprende un solenoide que incluye una bobina que rodea a un núcleo de hierro.

En un aspecto adicional del aparato, al menos una de las fuentes de campo magnético en un plano ortogonal a un plano de la placa de construcción comprende un solenoide que incluye una bobina que rodea una región de núcleo abierta.

En un aspecto adicional del aparato, la fuente de radiación se dispone para dirigir la radiación a través de la región de núcleo abierta a la placa de construcción.

La fuente de radiación puede variar de 300nm a 900nm de longitud de onda.

La fuente de radiación puede variar de ultravioleta a infrarroja.

La fuente de radiación puede ser operativa para dirigir una radiación a vóxeles seleccionados de los vóxeles discretos. La fuente de radiación puede comprender un proyector de luz digital.

La placa de construcción puede montarse para un movimiento vertical con respecto a la fuente del material precursor. En un aspecto adicional del aparato, un depósito comprende la fuente del material precursor y la placa de construcción se monta para un movimiento vertical en el interior y dentro del depósito desde arriba.

En un aspecto adicional del aparato, un depósito comprende la fuente del material precursor y al menos una porción de las fuentes de campo magnético se disponen circunferencialmente alrededor del depósito.

En un aspecto adicional del aparato, un depósito comprende la fuente del material precursor y al menos una de las fuentes de campo magnético se dispone verticalmente por debajo del depósito.

En un aspecto adicional del aparato, la fuente de campo magnético comprende un solenoide que incluye una bobina que rodea una región de núcleo abierta y la fuente de radiación se dispone por debajo del solenoide para proyectar la radiación a través de la región de núcleo abierta a una capa de material precursor en el depósito adyacente a la placa de construcción.

El procesador puede incluir instrucciones para:

(a) introducir un material precursor desde la fuente de material precursor en una primera capa adyacente a la placa de construcción;

(b) accionar una o más de la pluralidad de fuentes de campo magnético para aplicar un primer campo magnético a la primera capa para orientar las partículas magnéticamente sensibles en una primera alineación con el primer campo magnético;

(c) accionar la fuente de radiación para consolidar una primera porción del material de matriz en la primera capa con las partículas magnéticamente sensibles dentro de la primera porción mantenida en la primera alineación;

(d) accionar una o más de la pluralidad de fuentes de campo magnético para aplicar un campo magnético adicional para orientar una porción adicional de las partículas magnéticamente sensibles en una alineación adicional diferente de la primera alineación con un campo magnético adicional; y

(e) accionar la fuente de radiación para consolidar una porción adicional del material de matriz en la primera capa con las partículas magnéticamente sensibles dentro de la porción adicional mantenida en la alineación adicional.

Descripción de los dibujos

La invención se entenderá de forma más completa a partir de la siguiente descripción detallada tomada en conjunción con los dibujos adjuntos, en los cuales:

La figura 1 es un diagrama de flujo esquemático de un modo de realización de un método de fabricación aditiva; La figura 2 es una vista isométrica de un modo de realización de un aparato para fabricación aditiva;

La figura 3 es una vista isométrica del aparato de la figura 2 con una fuente de radiación retirada por claridad;

La figura 4 es una vista isométrica del sistema de campo magnético y del sistema de movimiento lineal de la figura 2; La figura 5 es una vista isométrica del sistema de campo magnético de la figura 2;

La figura 6 es una vista isométrica del sistema de movimiento lineal;

La figura 7 es una vista frontal de la placa de construcción, la fuente de precursor y el sistema de movimiento lineal de la figura 2;

La figura 8 es una vista esquemática despiezada de un modo de realización de un procesador de luz digital de la fuente de radiación de la figura 2;

La figura 9 es un diagrama de bloques esquemático de una unidad de procesador para el uso con el aparato de la figura 2;

La figura 10 es un gráfico que ilustra la respuesta magnética ultra alta de plaquetas magnetizadas en superficie; La figura 11 es un gráfico que ilustra la respuesta magnética ultra alta de varillas magnetizadas en superficie;

La figura 12A es un diagrama esquemático que ilustra el comportamiento de una partícula en un campo magnético; La figura 12B es un gráfico que ilustra el arrastre viscoso en una partícula en un fluido sujeto a un campo magnético; La figura 13A es una fotografía de una configuración experimental para proporcionar una alineación vertical de plaquetas magnéticamente sensibles utilizando un método de tipo de estereolitografía;

La figura 13B es una fotografía de una configuración experimental para proporcionar una alineación horizontal de plaquetas magnéticamente sensibles utilizando un método de tipo estereolitografía;

La figura 13C es un diagrama esquemático que indica una alineación fuera del plano vertical de las plaquetas de la figura 13A;

La figura 13D es un diagrama esquemático que indica una alineación dentro del plano horizontal de las plaquetas de la figura 13B;

La figura 13E es una fotomicrografía de una muestra de la configuración experimental de la figura 13A;

La figura 13F es una fotomicrografía de una muestra de la configuración experimental de la figura 13B;

La figura 14A es un diagrama esquemático que indica una alineación fuera del plano vertical de bastoncillos magnéticamente sensibles de una configuración experimental similar a la figura 13A;

La figura 14B es un diagrama esquemático que indica una alineación dentro de plano horizontal de bastoncillos magnéticamente sensibles de una configuración experimental similar a la figura 13B;

La figura 14C es una fotomicrografía de una muestra del experimento de la figura 14A;

La figura 14D es una fotomicrografía de una muestra del experimento de la figura 14B;

La figura 15A es una fotografía de una configuración experimental para proporcionar una alineación vertical de plaquetas magnéticamente sensibles utilizando un método de impresión con microboquilla;

La figura 15B es una fotografía de una muestra de la configuración experimental de la figura 15A;

La figura 15C es un diagrama esquemático que indica una alineación fuera del plano vertical de las plaquetas de la figura 15A;

La figura 15D es un diagrama esquemático que indica una alineación dentro del plano horizontal de las plaquetas;

La figura 15E es una fotomicrografía de una muestra de la configuración experimental de la figura 15C;

La figura 15F es una fotomicrografía de una muestra de la configuración experimental de la figura 15D;

La figura 16A es una fotografía de una mesa de ajedrez que muestra dos orientaciones de plaquetas de alúmina discretas formadas de acuerdo con un modo de realización del presente método;

Las figuras 16B y C son una fotomicrografía (con un aumento de 10x) del tablero de ajedrez en una interface entre la alineación (B) fuera del plano y la alineación (C) dentro del plano;

La figura 16D es una ilustración esquemática que representa la alineación fuera del plano de la figura 16B;

La figura 16E es una ilustración esquemática que representa la alineación dentro del plano de la figura 16C;

La figura 17A es una fotografía de un bloque tridimensional con un 10% en volumen, de plaquetas magnéticamente sensibles a formadas de acuerdo con un modo de realización del presente método;

La figura 17B es una ilustración esquemática que representa la orientación de las plaquetas del bloque de la figura 17A;

La figura 17C es una imagen de microscopio electrónico de barrido del bloque de

la figura 17A en una interfaz; La figura 17D es una imagen de microscopio electrónico de barrido del bloque de

la figura 17A en una interfaz; La figura 17E es una imagen de microscopio electrónico de barrido del bloque de

figura 17A de una orientación; La figura 17F es una imagen de microscopio electrónico de barrido del bloque de

figura 17A de una orientación; La figura 18 es una fotografía de un elemento de extremos ensanchados que tiene un 10% de partículas de alúmina formadas de acuerdo con un modo de realización del presente método para un ensayo de tracción;

La figura 19 es una gráfica de barras con una desviación estándar que compara el módulo de Young de especímenes de elementos de extremos ensanchados hechos mediante un modo de realización del presente método y mediante un método de moldeo en cinta;

La figura 20 es un gráfico de barras con una desviación estándar que compara el módulo de Young de especímenes de elementos de extremos ensanchados con diferentes orientaciones de plaqueta hechas mediante un método de moldeo en cinta;

La figura 21 es una ilustración de un tablero de ajedrez, una imagen de la estatua de la libertad y una imagen de bandas lineales que ilustran las propiedades ópticas variadas proporcionadas por la orientación de partícula variada hecha de acuerdo con un modo de realización de la presente invención;

La figura 22A es una ilustración esquemática de un vóxel individual;

La figura 22B es un gráfico del módulo de Young y de la tensión a la rotura de materiales compuestos monolíticos formados por un modo de realización del presente método;

La figura 22C es un mapeo de dureza bidimensional de la superficie de una arquitectura tridimensional formada por un modo de realización del presente método;

La figura 22D consta de ilustraciones de muestras con arquitecturas de refuerzo programables alrededor de defectos circulares;

La figura 22E es un gráfico de una resistencia a la tracción a lo largo de dos ejes de las muestras de la figura 22D;

La figura 23A ilustra mecanismos de fallo mecánico bajo varias cargas de tracción del elemento de extremos ensanchados monolítico tridimensional con refuerzo orientado a diferentes ángulos, en la cual las barras de escala son de 500pm y 25pm para las filas superior e inferior respectivamente;

La figura 23B ilustra arquitecturas con islas que coinciden y contrastan con la orientación de refuerzo de la película en bruto, en la cual las barras de escala son de 500|jm;

La figura 24 ilustra el módulo de Young para varias orientaciones de partícula y sin partículas;

Las figuras 25A y B ilustran modos de fallo para ensayos de tracción realizados en especímenes de elementos de extremos ensanchados con diferentes orientaciones de partícula;

La figura 26 ilustra modos de fallo para ensayos de tracción realizados en especímenes de elementos de extremos ensanchados que tienen un agujero reforzado concéntricamente en el centro;

La figura 27 ilustra un mapeado de dureza de un espécimen; y

Las figuras 28A-D ilustran la capacidad de manipular la fractura con diferentes orientaciones de partícula.

Descripción detallada de la invención

Materiales compuestos de fibra discontinua representan una clase de materiales que son fuertes, ligeros y que tienen una resistencia a la rotura remarcable. Un desafío para adaptar la tecnología de fabricación aditiva a materiales compuestos reforzados por fibra discontinua es la habilidad de controlar la orientación de las figuras durante el proceso de impresión. Una fibra alineada con la tensión aplicada refuerza la matriz integradora, mientras que una figura ortogonal actúa como un defecto, debilitando la matriz de polímero. Fibras aleatorias (estándar para sistemas sin control) actúan en la región entre estos dos extremos resultando en una resistencia del material compuesto que impacta de forma despreciable a la vez que sacrifica de forma severa la ductilidad.

Un método y un aparato para producir una pieza de material compuesto, tal como una pieza de material compuesto reforzada, se proporciona para permitir el control sobre la orientación de la fibra o de otra partícula dentro de cada capa de la pieza durante la fabricación combinando un conjunto magnético y una fabricación aditiva para fabricar materiales compuestos con una orientación de partícula microestructural compleja. El método y el aparato emplean un conjunto coloidal dirigido durante un proceso de fabricación capa por capa para proporcionar un control completo y programable sobre la orientación del refuerzo u otras partículas dentro de un material compuesto. Como un ejemplo, con este método y aparato, se pueden producir arquitecturas de refuerzo que permitan a los materiales compuestos mostrar unas propiedades mecánicas mejoradas, tales como, sin limitación, una rigidez mayor, una resistencia aumentada, fases duras y blandas del orden de micrones, y propiedades de energía de fractura más altas así como un comportamiento multifuncional. Además de mejorar las propiedades mecánicas, se pueden producir piezas de material compuesto con otras propiedades mejoradas, tales como propiedades térmicas, eléctricas y ópticas. Este método es robusto, de bajo coste, escalable, sostenible y puede permitir una nueva clase de piezas de material compuesto fuertes y ligeras con propiedades programables.

Al emplear el método y aparato descritos en el presente documento, se forma una pieza de material compuesto a partir de un material precursor que incluye partículas magnéticamente sensibles dispersadas dentro de un material de matriz en una forma de líquido precursor. Al menos una porción de cada una de las partículas magnéticamente sensibles incluye un material magnético. Por ejemplo, las partículas pueden formarse de un material magnético etiquetado con partículas magnéticas o puede formarse completamente a partir de un material magnético. Las partículas magnéticamente sensibles pueden tener cualquier forma o configuración deseadas para impartir las propiedades pretendidas a la pieza de material compuesto acabada. Ejemplos incluyen, sin limitación, fibras discontinuas, bastoncillos, plaquetas, copos, filamentos delgados y plaquetas.

El material de matriz es capaz de ser consolidado, por ejemplo mediante polimerización tras la exposición a una radiación ultravioleta. La consolidación del material de matriz es suficiente para mantener a las partículas magnéticamente sensibles en una orientación deseada en la porción consolidada del material de matriz en presencia de un campo magnético aplicado posterior que tiene una diferente orientación durante el proceso o por el aparato. La consolidación puede incluir, sin limitación, una solidificación, un curado parcial, un curado total, una polimerización o una reticulación.

El material precursor es introducido en un aparato de fabricación aditiva. El aparato de fabricación aditiva puede incluir una unidad de procesador que incluye instrucciones y un archivo de datos para producir una pieza de material compuesto capa por capa. El archivo de datos puede ser un archivo de diseño asistido por ordenador (por ejemplo, .stl) que especifica la arquitectura de la pieza a producir. El archivo de datos incluye la orientación deseada de las partículas magnéticamente sensibles dentro de cada capa de la pieza. Con cada capa, las partículas pueden tener diferentes orientaciones. El archivo de datos incluye datos que definen cada porción de cada capa que tiene una orientación de partícula comparable. Por ejemplo, cada capa se define mediante un conjunto de vóxeles (píxeles de volumen) y cada porción se define mediante un subconjunto de vóxeles a partir del conjunto de vóxeles. Cada porción puede ser una región continua única o puede ser una pluralidad de regiones discretas. La resolución de vóxel puede ser de al menos aproximadamente 50 x 50 x 50 micrones.

En un modo de realización, con referencia la figura 1, el material 10 precursor que tiene partículas 12 magnéticamente sensibles en un material 20 de matriz se introduce en un aparato de fabricación aditiva, por ejemplo, en una primera capa 14 adyacente a una placa 16 de construcción, en la etapa 1. Un Primer campo 18 magnético se aplica al material precursor para orientar las partículas 12 magnéticamente sensibles en una primera alineación, en la etapa 2. La duración de la aplicación del campo magnético puede depender de factores tales como la intensidad del campo aplicado, la frecuencia de rotación del campo aplicado, la viscosidad del material precursor, la cantidad de material magnético incluido en las partículas magnéticamente sensibles y la geometría de las partículas magnéticamente sensibles. En algunos modos de realización, la duración puede variar de 1 segundo a 5 minutos. En algunos modos de realización, la intensidad del campo magnético puede variar de 50 Oersted a 1000 Oersted. Una primera porción 22, los vóxeles activos, del material de matriz dentro de la primera capa 14 es entonces consolidada mientras se mantiene el campo magnético encendido, de tal manera que la orientación de las partículas 12' magnéticamente sensibles dentro de la primera porción se hace fija, en la etapa 3. La consolidación se puede lograr mediante, por ejemplo, una polimerización de los vóxeles activos en el material de matriz con una radiación de una longitud de onda apropiada, tal como una radiación 24 ultravioleta. La duración de la etapa de consolidación puede depender de factores tales como el material de matriz particular seleccionado y si el material va a ser parcialmente curado o totalmente curado. En algunos modos de realización, la duración puede variar de 2 segundos a 20 segundos.

Un segundo campo 26 magnético se aplica entonces al material 10 precursor en la primera capa 14 para orientar el resto, a un móvil, de partículas 12'' en una segunda alineación, en la etapa 4. Las partículas 12' de refuerzo en la primera porción no se mueven fuera de la alineación de la aplicación del segundo campo magnético, debido a que están fijas en su posición mediante la consolidación del material de matriz en el cual están embebidas. El material de matriz en una segunda porción 28 en la primera capa 14, que ahora forma los vóxeles activos, se consolida entonces, por lo tanto fijando la orientación de las partículas en la segunda porción, en la etapa 5. Estas etapas de aplicación de un campo magnético para orientar cualquier partícula de refuerzo restante, por ejemplo, con una radiación 32 UV, seguida por la consolidación de los vóxeles activos del material de matriz en la porción seleccionada se puede repetir cualquier número de veces adecuado para lograr cualquier orientación deseada de las partículas dentro de la capa. Una vez que las porciones seleccionadas de la primera capa 14 han sido completamente consolidadas, la primera capa se desplaza verticalmente, por ejemplo, en un proceso de pelado, de manera que el material 34 precursor adicional puede fluir en el lugar adyacente a la placa 16 de construcción, entre la placa de construcción y la primera capa 14, en la etapa 6. (Se apreciará que toda la capa puede que no se consolide, dependiendo de la geometría de la pieza que se va a producir).

Las etapas de aplicación de un campo magnéti

la consolidación del material magnético en una porción seleccionada son entonces repetidas cualquier número de veces adecuado para lograr cualquier orientación deseada de las partículas magnéticamente sensibles dentro de la segunda capa. Una vez que las porciones seleccionadas de la segunda capa han sido completamente consolidadas, una tercera capa y cualquier capa posterior se pueden constituir de la misma manera repitiendo estas etapas. De esta manera, se puede constituir una pieza de material compuesto capa por capa con cualquier orientación de las partículas y geometría complejas deseadas.

Un modo de realización de un aparato 100 para la producción de una pieza de material compuesto de acuerdo con el proceso se ilustra en las figuras 2-9. El aparato incluye una placa 110 de construcción o plataforma de impresión móvil en comunicación con una fuente 120 de material precursor. Una fuente 130 de radiación se dispone para aplicar una radiación en vóxeles discretos a una capa de material precursor adyacente a la placa de construcción. Se proporciona un sistema 140 de campo magnético que tiene una o más fuentes 142 de campo magnético el cual es capaz de aplicar un campo magnético en una pluralidad de orientaciones a la capa del material precursor en la placa de construcción.

Se puede proporcionar una unidad 160 de procesador, incluyendo una memoria 162, para controlar la comunicación con uno o más de los elementos del aparato, incluyendo la placa 110 de construcción, la fuente 120 de material precursor, la fuente 130 de radiación y la pluralidad de fuentes 142 de campo magnético para controlar el funcionamiento del aparato de acuerdo con las instrucciones para generar una pieza tridimensional capa por capa. (Véase la figura 9). En muchos o la mayoría de los modos de realización, se proporcionan archivos de diseño asistido por ordenador para definir la arquitectura de la pieza que se está produciendo. Los archivos de diseño asistido por ordenador (por ejemplo, archivos .stl) para la pieza deseada se pueden generar de cualquier manera deseada, tal y como es conocido en la técnica. Los archivos de diseño pueden tener otros formatos, tales como .jpeg o .tiff. La unidad de procesador incluye instrucciones para controlar el aparato, por ejemplo, código G o similar, para lograr la producción de la pieza deseada de acuerdo con los archivos de diseño.

Con referencia ahora de forma particular a las figuras 6-7, un modo de realización del aparato incluye una placa 110 de construcción soportada para un movimiento vertical con respecto a un bastidor 102. Una fuente del material precursor, tal como un depósito 120, es soportada por el bastidor por debajo de la placa de construcción, de tal manera que la placa de construcción se puede descender dentro del depósito. Una fuente 130 de radiación, descrita adicionalmente más abajo, se ubica para aplicar una radiación a una capa de construcción de material precursor que es adyacente a la placa de construcción cuando se sumerge en el depósito. Se proporciona un sistema 140 de campo magnético que rodea a la placa de construcción para aplicar un campo magnético de cualquier orientación deseada a la placa de construcción.

La placa 110 de construcción puede estar soportada de cualquier manera adecuada para un movimiento vertical con respecto al depósito de material precursor. En un modo de realización, la placa de construcción está suspendida de un conjunto 111 de movimiento que tiene un pórtico 112 en forma de X que se monta en un mecanismo 114 de tomillo de avance. De forma más particular, un brazo del pórtico en forma de X se monta en ambos extremos mediante tuercas 113 u otros elementos de fijación para un movimiento lineal a lo largo de dos tornillos 116 de avance dispuestos diagonalmente. Cada tornillo de avance puede ser rotado mediante un motor 117, tal como un motor paso a paso, conectado a su extremo superior. El otro brazo del pórtico en forma de X se monta para seguir el movimiento lineal a lo largo de dos vástagos 118 o vástagos de guía de alineación dispuestos diagonalmente. Los tornillos de avance y los vástagos de alineación son soportados de forma adecuada y fijados en sus extremos inferiores a una placa de soporte del bastidor, por ejemplo, con soportes de rodamientos lineales. Un extremo superior de cada tornillo de avance se fija a un extremo superior de uno de los vástagos de alineación mediante un miembro 115 de placa adecuado. Cuando se desea elevar o descender la placa de construcción, los motores paso a paso son accionados, rotando el tornillo de avance, provocando un movimiento lineal del pórtico a través de las tuercas 113. Durante la operación de pelado, un extremo de la placa de construcción es elevado ligeramente de forma vertical para impartir una inclinación a la placa de construcción. Entonces el otro extremo de la placa de construcción es elevado hasta que la placa de construcción está de nuevo nivelada. La acción de elevación de la placa de construcción provoca que la capa de construcción consolidada recientemente se suelte de la placa de construcción. Rodamientos 119 autoalineantes se pueden utilizar para fijar el brazo de pórtico a los vástagos de alineación para asegurar una función de pelado suave irrepetible. La placa de construcción puede incluir un revestimiento antiadherente para ayudar al desprendimiento de la capa de construcción si se desea.

Una vez que la capa de construcción adyacente a la placa 110 de construcción ha sido consolidada de forma adecuada, lo cual puede tomar varias etapas, dependiendo del número de orientaciones de las partículas que se va lograr dentro de la capa de construcción, la placa de construcción es inclinada en una operación de pelado, tal y como se describió anteriormente, para desprender la capa de construcción que se acaba de consolidar de la placa de construcción. La placa de construcción es nivelada de manera que se separa por encima de la capa de construcción que se acaba de consolidar y un material precursor líquido adicional en el depósito fluye para llenar el espacio.

Se apreciará que se puede utilizar cualquier forma de soporte de plataforma móvil para la placa de construcción o cualquier tipo de actuación lineal para mover la placa de construcción verticalmente. Por ejemplo, puede proporcionarse una disposición de cilindros hidráulicos o neumáticos para elevar o descender el pórtico. El pórtico también puede tener otras configuraciones. También, la fuente del material precursor podría ser móvil mientras que la placa de construcción permanece estacionaria.

El sistema 140 de campo magnético incluye una pluralidad de fuentes 142a, 142b, 142c, 142d, 142e de campo magnético que cada una proporciona un campo magnético de una intensidad y gradiente variables. Cada fuente de campo magnético puede controlarse de forma independiente y múltiples fuentes se pueden controlar de forma simultánea, de tal manera que se puede aplicar un campo magnético de cualquier orientación a la capa de construcción adyacente a la placa de construcción en el depósito.

En un modo de realización, cada fuente 142 de campo magnético es un electroimán de solenoide formado de una bobina 144 que rodea a una región 146 de núcleo. Varios solenoides (cuatro, 142a, 142b, 142c, 142d, se usan en el modo de realización mostrado) se disponen en un plano horizontal alrededor de la periferia del depósito de tal manera que el eje de cada bobina es paralelo a un plano de la placa de construcción. Los solenoides horizontales pueden ser equidistantes alrededor del depósito, tal y como se muestra. Cada uno de los solenoides horizontales puede incluir un núcleo de hierro para aumentar la intensidad de su campo magnético. Un solenoide 142e vertical en el cual el eje de la bobina es vertical u ortogonal a la placa de construcción, se proporciona por debajo del depósito. Debido a que el solenoide vertical está separado de forma más próxima a la capa de construcción que los solenoides horizontales, su región 146e de núcleo puede dejarse abierta y libre de un núcleo de hierro y aun así proporcionar un campo magnético de intensidad suficiente. De esta manera, la radiación desde la fuente de radiación puede pasar a través de la región de núcleo del solenoide vertical para alcanzar la capa de construcción adyacente a la placa de construcción. Los solenoides se fijan al bastidor del aparato de cualquier manera adecuada.

Los solenoides 142 se pueden controlar bajo el control de la unidad 160 de procesador, que puede controlar la intensidad y la duración del campo magnético aplicado por cada solenoide para aplicar un campo magnético en cualquier orientación tridimensional a través de la capa de construcción. De esta manera, se les puede dar a las partículas magnéticas cualquier orientación deseada de acuerdo con las instrucciones para la pieza que se va a producir. Adicionalmente, el campo magnético puede controlarse de forma temporal de manera que alinea el segundo eje de, por ejemplo, las partículas de plaqueta como con un campo magnético rotatorio. El campo magnético se puede mantener hasta que la capa de construcción se ha solidificado de forma suficiente mediante la fuente de radiación, descrita adicionalmente más abajo.

Se apreciará que se puede utilizar cualquier otro sistema de campo magnético adecuado. Por ejemplo, se pueden aplicar campos magnéticos de imanes permanentes, cintas magnéticas, imanes de mano, o cables que transportan corriente. Las fuentes de campo magnético se pueden fijar en otras ubicaciones cerca de la placa de construcción del sistema o en el espacio alrededor del material durante el proceso de fabricación. En el modo de realización descrito anteriormente, también se podría proporcionar un solenoide vertical adicional por encima del depósito y de la placa de construcción, si se desea. Dicho solenoide vertical adicional podría también necesitar moverse con cada operación de pelado y elevación de la placa de construcción. Como los solenoides tienden a ser pesados, se pueden utilizar si es necesario motores más grandes.

La fuente 130 de radiación es capaz de enfocar la radiación en vóxeles seleccionados dentro de la capa de construcción del material precursor adyacente a la placa de construcción, tal y como se describió anteriormente. (Véase la figura 1). La fuente de radiación es accionada de acuerdo con las instrucciones dadas por la unidad de procesador.

En un modo de realización, la fuente 130 de radiación comprende un proyector 132 de luz digital que incluye varios microespejos 134 o espejos microscópicos, dispuestos en un conjunto de píxel en un chip. El conjunto de microespejos se corresponde a la resolución XY de los vóxeles en la capa de construcción de material precursor. Una fuente 136 de luz se sitúa para iluminar los microespejos, que reflejan la radiación hacia la capa de construcción. Una lente o un sistema 138 de lentes se proporcionan para enfocar la radiación contra la capa de construcción adyacente a la placa 110 de construcción. En particular, los espejos se pueden volver a posicionar de forma individual o alternar entre posiciones de encendido y apagado, de tal manera que la posición de encendido dirige y enfoca la radiación desde la fuente de radiación contra un box el correspondiente dentro de la capa de construcción. La iluminación se controla por la unidad de procesador proporcionada que utiliza el archivo de datos que describe la pieza que se va a producir, por ejemplo, especificando cuáles vóxeles se van a irradiar. De esta manera, sólo se iluminan vóxeles seleccionados para curar o de otro modo consolidar el material de matriz durante cualquiera de las etapas. Los microespejos pueden ser de cualquier tamaño de píxel individual adecuado y se puede proporcionar cualquier tamaño de conjunto de píxel, dependiendo de la aplicación.

La fuente 136 de luz puede proporcionar radiación de cualquier longitud de onda deseada para curar el material de matriz particular que se está utilizando para producir la pieza. En algunos modos de realización la longitud de onda puede variar desde el ultravioleta visible a radiación infrarroja. En algunos modos de realización, la longitud de onda puede variar de 300nm a 900nm de longitud de onda. La fuente de luz puede ser, por ejemplo, una lámpara de arco de xenón, un LED o un láser.

El intervalo de tiempo de radiación se puede controlar mediante la unidad 160 de procesador. El intervalo de tiempo depende de parámetros tales como el material de matriz particular y el grosor de la capa de construcción de manera que cada vóxeles irradiado durante una duración suficiente para asegurar que el material de matriz se solidifique el grado deseado.

Se pueden utilizar otros tipos de proyectores de luz o dispositivos de procesamiento de luz. Por ejemplo, un microespejo de barrido o dispositivo láser.

En algunos modos de realización, la unidad 160 de procesador es parte de un sistema informático tal como un ordenador personal, una estación de trabajo o un servidor. El sistema informático se puede implementar con instrucciones ejecutables por ordenador, tales como módulos de programa, que pueden incluir rutinas, subrutinas, programas, objetos, componentes, estructuras de datos y similares que realizan tareas particulares u operan en datos. Se pueden utilizar otras configuraciones de sistema informático, incluyendo dispositivos de mano, dispositivos inalámbricos, teléfonos inteligentes, tabletas y ordenadores portátiles, sistemas de procesador múltiple, electrónicas de consumo basadas en microprocesador o programables, microordenadores, ordenadores centrales y similares. El entorno informático puede incluir una red, tal como una intranet, una red de área local, una red de área amplia, Internet y similares. El sistema informático puede ser un sistema informático distribuido en el cual algunos módulos de programa y de memorias están ubicados de forma remota y algunas tareas se pueden realizar por dispositivos remotos conectados a través de una red de comunicaciones. El sistema informático puede incluir diversos elementos de hardware, incluyendo una o más unidades de procesamiento, una memoria y un bus de sistema que conectan de forma operativa los diversos componentes del sistema que incluyen la memoria a la(s) unidad(es). Puede haber uno o una pluralidad de procesadores, de manera que una unidad de procesador comprende una única unida de procesamiento central (CPU) o una pluralidad de unidades de procesamiento, tales como un procesador múltiple o un procesador paralelo. El término “unidad de procesador” tal y como se utiliza en el presente documento, incluye cualquiera o todas estas opciones y arquitecturas.

Adicionalmente al modo de realización descrito anteriormente, el uso de partículas magnéticamente sensibles para formar una pieza de material compuesto se puede emplear con varios procesos y equipos de fabricación aditiva tales como otros sistemas de estereolitografía, sistemas de impresión en 3D, sistemas de impresión directa, sinterización por láser selectivo y modelado por deposición fundida.

El método descrito en el presente documento se puede aplicar a cualquier sistema de material (material de matriz y partículas magnéticamente sensibles) que sea comparable con el proceso y el aparato de fabricación aditivo elegidos. Materiales de matriz adecuados incluyen, sin limitación, un material acrílico fotocurable, un material de polimetilmetacrilato (PMMA) o un material de poliuretano. En algunos modos de realización, la viscosidad del material de matriz antes de la consolidación puede variar de 0,7mPa.s a 10Pa.s. Las partículas magnéticamente sensibles se pueden dispersar bien dentro del material de matriz, por ejemplo, mediante ultrasonicación o agitación mecánica.

En un ejemplo, un sistema de material utiliza una resina que comprende un polímero basado en acrílico con óxido de aluminio de refuerzo (AL2O3), partículas de microplaquetas que son etiquetadas con nanopartículas de óxido de hierro (FE3O4) para hacerlas sensibles a campos magnéticos. De forma más particular, en un ejemplo, se hizo una resina sensible a UV mezclando primero un diacrilato de uretano alifático (Ebecryl® 230) y un acrilato de isobomilo (IBOA-Sigma) en una relación 1:3 en peso. Se añadieron fotoiniciadores en un 2% y un 3% en peso, respectivamente, y se agitaron por la noche. La viscosidad de la mezcla de polímeros se midió utilizando un viscómetro de Ubbelohde (SimpleVIS, tamaño 2C) y se encontró que era de 140 cps. Se añadieron partículas (AhOa) de refuerzo magnetizadas a la resina en la fracción de volumen deseada y se sonicaron en volúmenes de 30 ml utilizando un sonicador de micropunta (Branson 250, ciclo de trabajo de 20%, salida de 40 W durante 10 minutos) para asegurar monodispersidad. Finalmente, la mezcla resultante se desgasificó para retirar todos los gases disueltos para evitar que las burbujas provocasen defectos durante el proceso de impresión.

En algunos modos de realización, las partículas magnéticamente sensibles tienen una dimensión más larga que varía de 200nm a 1000|jm. En algunos modos de realización, las partículas magnéticamente sensibles tienen una dimensión más larga que varía de 1|jm a 20|jm. En algunos modos de realización, las partículas magnéticamente sensibles tienen una relación de aspecto que varía de 2 a 200.

Las partículas magnéticamente sensibles pueden ser magnéticamente sensibles debido a que la partícula es en sí mismo magnética o la partícula está recubierta con un material que es en sí mismo magnético. Partículas no magnéticas que se pueden recubrir con un material magnético pueden incluir, sin limitación, cerámica, metales y polímeros, tales como pero no limitados a, fosfato de calcio, vidrio (SIO2), óxido de aluminio (AhOa), nitruro de boro, cobre, magnesio, aluminio, oro, plata, poliestireno y similares. Partículas que pueden tener una amplia variedad de geometrías, que incluyen fibras, bastoncillos, plaquetas, copos o filamentos delgados discontinuos. Las partículas son normalmente anisotrópicas en su forma en al menos una dimensión, aunque se pueden utilizar partículas esféricas en algunos modos de realización, dependiendo de la aplicación.

Las partículas o rellenos magnéticos pueden incluir, por ejemplo, nanopartículas de óxido de hierro, limaduras de hierro, microperlas superparamagnéticas, copos de cobalto y bastoncillos de níquel. Las partículas magnéticas pueden tener una amplia variedad de geometrías, incluyendo microperlas, nanopartículas, limaduras, fibras, bastoncillos, plaquetas, copos o filamentos delgados. Una superficie de recubrimiento de una partícula no magnética puede suministrarse mediante procesos de quimisorción, fisisorción o evaporación.

Micropartículas no magnéticas pueden etiquetarse magnéticamente con nanopartículas magnéticas, tales como nanopartículas de óxido de hierro mediante técnicas conocidas. Dicho etiquetado puede aplicarse a partículas que tienen una variedad diversa de materiales y geometrías. En un ejemplo, para magnetizar partículas de AhO3 (alúmina), se titularon 375 pl de nanopartículas de óxido de hierro superparamagnéticas (EMG 705, 3.9 % en volumen Fe3O4, Ferrotec) con 10 gramos de AhO3 en 200 ml de agua desionizada para asegurar un recubrimiento homogéneo de las micropartículas. La mezcla se agito por la noche utilizando una barra de agitación magnética. Un recubrimiento ligante cargado negativamente en el óxido de hierro permite a las nanopartículas adsorberse electrostáticamente en la superficie de las partículas de alúmina. Las partículas son posteriormente filtradas y secadas. Una vez se ha completado el secado, las partículas de alúmina magnetizadas se pueden añadir a un fotopolímero u otro material de matriz en cualquier fracción de volumen deseada.

Las partículas con escala de longitud que varía de 200nm a 1000pm se pueden etiquetar magnéticamente para proporcionar una respuesta magnética óptimamente fuerte en el presente método. Las fuerzas magnéticas operan en competición con las fuerzas corporales (gravitacional y arrastre viscoso) así como las fuerzas atómicas y moleculares (movimiento Browniano). Las partículas más grandes experimentan una fuerza corporal significativa debido a los fenómenos volumétricos como la gravedad, el cizallamiento, etc. que pueden dominar el conjunto magnético coloidal. De forma similar, las partículas significativamente pequeñas pueden dominarse por el movimiento Browniano que trabaja para descomponer el conjunto. El rango del tamaño de partícula que resulta en una respuesta magnética óptima depende de varios factores, tales como las dimensiones de partícula, la densidad, la susceptibilidad magnética, la viscosidad del fluido y la intensidad del campo magnético aplicado. Por ejemplo, los diagramas de fase de las figuras 10 y 11 demuestran el tamaño como una función del campo de alineación para partículas con un recubrimiento superficial de tan sólo un 0,5% en volumen. En particular, las figuras 10 y 11 son gráficos de la respuesta magnética de partículas de plaqueta magnetizadas en superficie y partículas con forma de bastoncillo. El campo de alineación mínimo teórico, Hmin es representado para las plaquetas, relación de aspecto s=37, en la figura 10 y para los bastoncillos, relación de aspecto s=30 en la figura 11. Las partículas tienen un revestimiento superficial de nanopartículas magnéticas de un 0,5% en volumen. Valores de gravedad específicos de 3,98 y 2,5 g/cm3 se utilizaron en los cálculos, consistentes con las plaquetas de alúmina estudiadas experimentalmente y los bastoncillos de sulfato de calcio, respectivamente. Véase Erb, R.M., Libanori R., Rothfuchs, N., Studart, A.R. Materiales compuestos reforzados en tres dimensiones utilizando campos magnéticos bajos. Ciencia 2012, 335 (6065): 199-204.

A modo de una explicación adicional, se hace referencia a las figuras 12A y B. Interpretando las plaquetas de alúmina como elipsoides achatadas, el movimiento de la plaqueta magnetizada suspendida en un fluido se puede describir utilizando expresiones analíticas. Cuando se aplica un campo magnético, la plaqueta experimenta un par de torsión magnético que trabaja para alinear el eje mayor de la plaqueta con el campo. Este par de torsión se aplica a la plaqueta mediante una carcasa elipsoidal dimensionada de forma similar y se puede describir por:

En este caso po es la permeabilidad del espacio libre ( Uo = 4n. 10-7, unidades de [N/A2], xps es el volumen de las partículas (sin dimensión), Ho es el campo magnético externo (unidades de [A/m]) y y es el ángulo del eje mayor de la partícula respecto al eje vertical. Este par de torsión magnético está equilibrado por el arrastre viscoso que experimenta la plaqueta a medida que rota en el fluido, el cual trabaja contra el movimiento de la plaqueta y que se puede expresar mediante:

Tvíscoso ~ 6j7 V ( f j (J f ) (2)

donde f/f ^o es el factor de fricción de Perrin y se puede resolver de forma analítica. Equilibrando los pares de torsión magnético y cortante aplicados en una plaqueta suspendida se permite el cálculo de la aceleración angular de las plaquetas:

d2^ __ Tnet __ 5 ( l m ag rii)

dt2 _ / _ m ( A 2 B 2) 7 7

En este caso m es la masa de la partícula I es el momento de inercia de una elipsoide no fijada. Sustituyendo los pares de torsión en la ecuación 1 se llega a una ecuación diferencial de segundo orden no lineal que se puede resolver utilizando, por ejemplo, Matlab. Se utilizaron soluciones numéricas para estimar el tiempo requerido para la orientación durante el proceso de fabricación.

Se realizaron diversos experimentos en los cuales se produjeron muestras de materiales compuestos de acuerdo con un modo de realización del método descrito en el presente documento.

Ejemplo 1

La viabilidad de alinear partículas microscópicas utilizando matrices de polímero de conjunto magnético se evaluó con resinas curables por UV debido a su baja viscosidad y polimerización controlable. Se realizaron ensayos en una serie de sobremesa N-Scrypt 3Dn modificada con una fuente de luz de 365 nm. Se empleó un imán permanente para aplicar un campo magnético en diferentes direcciones. Se investigaron dos rellenos diferentes: bastoncillos de fosfato de calcio y plaquetas de alúmina (AhOs). El sistema de resina empleado fue tetraacrilato de pentaeritritol alcoxilado (Sartomer) con un 1% en peso de Irgacure 184 (Ciba, fotoiniciador transparente) ~ 1% en volumen de plaquetas de AhO3 o bastoncillos de fosfato de calcio. Se realizaron muestras utilizando tanto una técnica de estereolitografía (SLA) alineando partículas en un contenedor lleno de resina como una técnica de alineación de partículas a la vez que se imprimía con una microboquilla.

Se permitió alinearse a las partículas alineadas en el contenedor de resina en bruto en 5 minutos en el campo magnético antes de la polimerización. Para los experimentos de alineación impresos, se dio sólo 30 segundos a las partículas para alinearse. Todas las imágenes se tomaron a 5x con un microscopio óptico con iluminación transmitida.

Se logró una alineación exitosa con plaquetas de alúmina y bastoncillos de fosfato de calcio en dos orientaciones diferentes utilizando la técnica de estereolitografía con una polimerización de resina en bruto. Las figuras 13A y 13B ilustran la configuración experimental para los experimentos de alineación en bruto de las plaquetas con campos vertical (figura 13A) y horizontal (figura 13B). La figura 13C ilustra de forma esquemática la alineación vertical de las plaquetas (correspondiente a la figura 13A) y la figura 13D ilustra de forma esquemática la alineación horizontal de las partículas (correspondiente a la figura 13B). La figura 13E es una fotomicrografía de una vista superior que ilustra las plaquetas alineadas verticalmente, y la figura 13F es una fotomicrografía de una vista superior que ilustra las plaquetas alineadas horizontalmente. La figura 14A ilustra de forma esquemática la alineación vertical de los bastoncillos, y la figura 14B ilustra de forma esquemática la alineación horizontal de los bastoncillos. La figura 14C es una fotomicrografía de una vista superior que ilustra los bastoncillos alineados verticalmente (fuera del plano, o perpendiculares a la plataforma) y la figura 14D es una fotomicrografía de una vista superior que ilustra los bastoncillos alineados horizontalmente (dentro del plano o paralelas a la plataforma).

Adicionalmente, se demostró una alineación de partículas exitosa en dos orientaciones diferentes para plaquetas de alúmina utilizando un método de impresión por microboquillas. Véanse las figuras 15A-F. La figura 15A ilustra la configuración experimental. La figura 15B ilustra la pieza resultante. La figura 15C ilustra de forma esquemática la alineación vertical de las plaquetas y la figura 15D ilustra de forma esquemática la alineación horizontal de las plaquetas. La figura 15E es una fotomicrografía de una vista superior que ilustra las plaquetas alineadas verticalmente (fuera del plano, o perpendiculares a la plataforma) y la figura 15F es una fotomicrografía de una vista superior que ilustra las plaquetas alineadas horizontalmente (en el plano o paralelas a la plataforma).

Ejemplos 2-4

Se prepararon partículas reforzadas magnéticamente sensibles como sigue: plaquetas de alúmina (AI2O3) (obtenidas de Allusion) se recubrieron electrostáticamente con aproximadamente una cobertura de un 5% en superficie superparamagnética de nanopartículas de óxido de hierro (Fe3O4) (EMG 705, obtenidas de Ferrotec). Se añadieron 10 gramos de polvo de alúmina a 200ml de agua desionizada y se agitó de forma vigorosa. Se dispersaron después 375|jl de EMG 705 en 60 ml de agua des ionizada y se añadieron lentamente a la mezcla de partículas agitada. Después de permitir una mezcla por la noche, la mezcla de partículas se filtró y se secó.

La resina fue una mezcla de polímero consistente en acrilato de isobornil o (IBOA, de Sigma) y un diacrilato de uretano alifático (Ebercyl 230 de Allnex). La solución de resina constaba de dos fotoiniciadores, 1-hidroxiciclohexil fenil cetona (99%, Sigma) y óxido de fenilbis(2,4,6-trimetil-benzoil)fosfina (97%, Sigma), al 3% y al 1,5% en peso, respectivamente. Una vez que se mezcló bien la resina, se añadieron cantidades seleccionadas de plaquetas de alúmina magnética.

Se recopilaron los resultados preliminares utilizando un kit de impresora de estereolitografía ordenada de mUVe y un sistema de dispensado de nScrypt 3dn. El kit mUVe se ajustó en una plataforma personalizada y un sistema láser para acomodar resinas no comerciales y los campos magnéticos.

Se produjo una pieza con múltiples arquitecturas discretas dentro de una única capa. Las figuras 16A-E ilustran un tablero de ajedrez en miniatura que se produjo con dos orientaciones diferentes dentro de una capa, demostrando los cambios en las propiedades ópticas. Cuantas más regiones opacas tienen plaquetas orientadas dentro del plano, más luz absorben que las regiones más transparentes, que están orientadas fuera del plano. La diferencia en color viene de la orientación de las plaquetas; la película tiene una concentración homogénea. La figura 16B ilustra una imagen de microscopio óptico con un aumento de 10x de la alineación fuera del plano. La figura 16C ilustra una imagen de microscopio óptico con un aumento de 10X de la alineación dentro del plano. Las orientaciones de plaquetas correspondientes se ilustran de forma esquemática en las figuras 16D y E.

Se han mostrado también piezas de material compuesto con múltiples capas que contienen orientaciones programables. Por ejemplo, se fabricó un bloque de 1 x 1 x 0,25 cm con tanto una alineación de partícula dentro del plano como fuera del plano. Véanse las figuras 17A-F. La figura 17A es una fotografía de un bloque con un 10% en volumen de plaquetas magnéticamente sensibles. La figura 17B es una ilustración esquemática del diagramación de orientación utilizado para programar y fabricar el bloque. Imágenes de microscopio electrónico de barrido verifican las orientaciones dentro del plano y fuera del plano en las interfaces (figuras 17C y D) mientras que las figuras 17E y F proporcionan un análisis más próximo de cada orientación.

También se ha investigado el efecto de la orientación de refuerzo en propiedades mecánicas. Especímenes de elementos de extremos ensanchados (véase la figura 18) para un ensayo de tracción se fabricaron con un 10% en volumen de plaquetas de alúmina en varias alineaciones. Los especímenes con plaquetas de alúmina (no orientadas) demostraron un módulo de Young aproximadamente un 100% mayor que los elementos de extremos ensanchados impresos sin plaquetas de refuerzo, tal y como se indica en la figura 19.

La importancia de la arquitectura de fibra en propiedades mecánicas tales como la rigidez se ilustra en la figura 20. El módulo de Young de las muestras con fibras alineadas en la dirección de la tensión aplicada es aproximadamente un 40% mayor que las muestras con fibras alineadas perpendiculares a la tensión aplicada.

En los siguientes ejemplos, se proporciona un aparato sustancialmente como se describió anteriormente con respecto a las figuras 2-9, utilizando un software de código abierto (Creation Workshop) para controlar un proyector de luz digital (ViewSonic PJD7820hd) y dos motores paso a paso NEMA-17 para el movimiento vertical o en el eje Z. El software convierte los archivos .stl en una serie de archivos de vector de alta resolución que son utilizados para polimerizar cada sección trasversal. El bastidor (de mUVe3D) se modificó para permitir la aplicación de campos magnéticos o bien por un imán de tierras raras rotatorio o por solenoides controlados por ordenador.

En el método, se aplicaron campos magnéticos rotatorios (3Hz) con una magnitud de 400G para lograr la alineación deseada de las partículas de refuerzo en la resina. Una alineación apropiada tomo 15 segundos. La capa después se expuso y se polimerizó de forma selectiva utilizando una luz UV. Se lograron múltiples orientaciones en una sola capa repitiendo el proceso de orientación y de polimerización. Una vez se completó la capa, se elevó la placa de construcción en una función de pelado y fluyó la resina nueva entre la capa previa y el contenedor de resina. Se repitió el proceso capa por capa hasta que se completó la pieza. Las piezas completadas se enjuagaron con alcohol isopropílico y se curaron posteriormente en una cámara de UV (UVL-56, 6W, 365 nm) durante 30 minutos seguido de un tratamiento térmico (90 °C durante 1 hora) para aliviar cualquier tensión residual.

Ejemplo 5

Un ejemplo de control de propiedades ópticas se ilustra en la figura 21. Un patrón cuadriculado simple y una imagen de la estatua de la libertad se fabricaron con un bloque de material compuesto sólido de un copolímero de uretano/acrilato reforzado y adicionalmente con microplaquetas de alúmina. En el patrón cuadriculado, los ángulos de refuerzo en cada cuadrado alternan entre 0° y 90°. La orientación de las micropartículas de alúmina tuvo como resultado un cambio óptico en la superficie del material compuesto. Un refuerzo dentro del plano dispersa más luz y aparece más blanco; un refuerzo fuera del plano absorbe más luz y aparece más oscuro. El proceso para producir el patrón cuadriculado tomó 2 minutos netos para producir una capa compuesta de 2” por 3”. Un análisis SEM de la microestructura de refuerzo reveló altos niveles de alineación de micropartícula en el material compuesto final.

Ejemplo 6

Se investigó la habilidad de afinar las arquitecturas de refuerzo para proporcionar una programabilidad amplia a la rigidez, la resistencia, la tenacidad y la multifuncionalidad de materiales compuestos. Se prepararon bloques monolíticos de material compuesto en los cuales todos los vóxeles tienen la misma orientación y se sometieron a un ensayo de tracción para medir la resistencia del material a lo largo de cada eje (figuras 22A, B). Los ensayos de tracción a lo largo de los ejes alineados con el refuerzo mostraron tanto una rigidez como una ductilidad mejoradas, tal y como se esperaría de la teoría de materiales compuestos. Se fabricó una microarquitectura y se sometió a un mapeado de dureza para medir propiedades de material locales y validar que las propiedades de material se mantenían en cada vóxel en una arquitectura compleja. (Figura 22C). Los vóxeles con refuerzo orientado fuera del plano mostraron un aumento significativo en la dureza fuera del plano con respecto a materiales con sólo un refuerzo dentro del plano.

Para investigar los efectos del diseño microestructural en la resistencia a la rotura, se produjeron estructuras que tienen aberturas o defectos circulares o cilíndricos con varias geometrías de refuerzo (figura 22D), una geometría “ inspirada en un osteon” en la cual el refuerzo rodea circunferencialmente la abertura y dos con refuerzos alineados monolíticamente. Estas arquitecturas se modelaron con análisis por elementos finitos para observar tensiones anticipadas que rodean a los defectos cilíndricos. Las estructuras “inspiradas en un osteon” con una orientación azimutal de las plaquetas de refuerzo mostraron una concentración de tensiones mínima independiente de los ejes en los cuales se aplicó la tensión (figura 22E). Utilizando el presente método, se pueden evaluar rápidamente arquitecturas de refuerzo microestructural junto con un análisis FEA para optimizar la arquitectura de refuerzo microestructural.

Las estructuras de osteon revelan que la rotura sucede de forma diferente en cada arquitectura. El eje secundario de la estructura monolítica alineada muestra una propagación de fisura rápida recta relacionada con una escisión mientras que la arquitectura circunferencial muestra desviaciones en la trayectoria de propagación de fisura. El presente método permite la producción de microarquitecturas para acentuar la desviación de trayectoria de fisura. Para investigar estos efectos, se produjeron muestras monolíticas con partículas de refuerzo orientadas perpendiculares (0= 90°), en ángulo agudo (0= 45°) y paralelas (0= 0°) a las tensiones aplicadas. La figura 23A ilustra los diferentes modos de fallo de cada muestra: frágil, fractura de escisión con una deformación plástica mínima y una alta resistencia de pico de rotura; fractura dominada por tensión con planos angulados; y fractura dominada por cizallamiento. Por tanto, se puede diseñar una pieza de material compuesto vóxel por vóxel para mostrar un modo de fallo particular, dada una carga esperada para de hecho afinar las trayectorias de programación de fisura. La figura 23B muestra estructuras que incluyen islas (500|jm x 500|jm) de orientaciones de refuerzo variables. Cuando la orientación de isla coincide con la orientación en bruto, se produce una estructura monolítica y se pueden predecir mecanismos de fallo. Cuando la orientación de isla y la orientación en bruto contrastan, se puede dirigir una fisura a través del material. La dirección de fisura proporciona una alternancia del control con respecto a los mecanismos de endurecimiento de fractura en microestructuras de material compuesto. Se pueden programar mecanismos de fallo en un material para desviar fisuras de áreas seleccionadas de una pieza. A este respecto, se ha de observar que la propagación de fisura en presencia de múltiples orientaciones sucede en la fase más débil, en lugar de en la interfaz.

Ejemplo 7: Ensayo de tracción

Con referencia la figura 24, se ensayaron las propiedades mecánicas de una resina de material compuesto curada en especímenes preparados mediante punzado de muestras de chapas fabricadas utilizando un troquel ASTM-D638 IV. Se ensayaron los especímenes en una máquina de ensayo universal (Instron). Se ensayaron tres orientaciones de refuerzo primario: paralelo, perpendicular y en un ángulo respecto a la carga de tracción aplicada, así como el polímero puro. Materiales compuestos con un 15% en volumen, partículas de refuerzo alineadas paralelas respecto a la carga mostraron un aumento en la rigidez de más de un 300%. Materiales compuestos con partículas orientadas perpendiculares a la carga aplicada mostraron un aumento de rigidez de un 200% frente al polímero puro.

Ejemplo 8: Análisis de interfaz

Con referencia las figuras 25A-B se realizaron ensayos de tracción en especímenes de elementos de extremos ensanchados que tienen una fracción de un 10% en volumen de plaquetas de AhO3 y refuerzos orientados paralelos, perpendiculares a, y a 45° del eje de la carga aplicada. Las superficies de fractura de cada grupo difirieron de una fractura dominada por una tensión normal para especímenes con refuerzo paralelo respecto a una fractura dominada por cizallamiento para especímenes con una alineación de 45°, con respecto a una escisión para especímenes con refuerzo perpendicular. Imágenes SEM de la superficie de fractura para cada orientación ilustraron los efectos de la orientación de refuerzo en la propagación de fisura. Las muestras reforzadas a lo largo del eje X de la carga aplicada (alineación paralela) de mostraron propiedades mecánicas mejoradas y signos visibles de un rendimiento mayor. La fisura se propagó en contra de la orientación de refuerzo sin un verdadero eje fácil y es rugosa pero aleatoria. Muestras reforzadas con un ángulo de mostraron una propagación de fisura congruente con el ángulo de las partículas de refuerzo. Muestras reforzadas ortogonales a la carga aplicada de mostraron una escisión debida a la propagación de fisura paralela a las plaquetas. Para demostrar que límites e interfaces no sirven como un defecto, se fabricaron especímenes de tracción con una alineación paralela excepto para una pequeña región. Cuando se comprobaron, el fallo se ubicó en el centro de la región más débil, en lugar de en la interfaz.

Con referencia la figura 26, se fabricaron especímenes de elementos de extremos ensanchados con un agujero reforzado concéntricamente (“inspirado en un osteon”) en el centro. Los resultados del ensayo de tracción mostraron una respuesta mecánica isotrópica en la cual las propiedades mecánicas fueron independientes de la carga aplicada. Los especímenes de elementos de extremos ensanchados con refuerzos orientados paralelos respecto a la carga aplicada (eje fuerte) y perpendiculares con la carga aplicada (eje débil) también se comprobaron. Se fabricaron especímenes con ocho regiones discretas alrededor del agujero central para eliminar las regiones interfaciales como una fuente de discrepancia entre cada grupo de especímenes. La orientación de refuerzo en las regiones que rodean al defecto tuvo como resultado cambios significativos en las propiedades mecánicas así como en el comportamiento del fallo. En particular, la trayectoria de fisura en especímenes con un refuerzo perpendicular a la carga falló con una interfaz escindida, mientras que se produjeron trayectorias de fisura menos directas en especímenes con un refuerzo paralelo o circunferencial.

La figura 27 ilustra un mapeado de dureza de un espécimen que tiene un patrón rectilíneo en el cual áreas internas y externas tienen una orientación dentro del plano y una banda central tiene una orientación fuera del plano. Este espécimen incluyó una fracción de un 15% en volumen de partículas de alúmina con 22 x 22 x 3mm (20 capas). El mapeo de dureza se realizó utilizando una microhendidura Vickers con una fuerza aplicada de 0,98N, un tiempo de exposición de 15 segundos y una separación de hendidura de 1,5 mm, que es mayor que 5 veces la longitud diagonal promedio (aproximadamente 200 micrones). El espesor de la muestra y la separación del lugar de ensayo evitaron que las hendiduras afectasen a ensayos posteriores. Los puntos de datos recogidos (77 en total) a través de la muestra se pueden ver en el mapa de contorno. Se generaron gráficos de superficie utilizando MatLab con una rejilla de 1,5 milímetros y una interpolación circundante más cercana para representar de forma más precisa el espécimen.

Las figuras 28A-D ilustran la habilidad de manipular el comportamiento de fractura utilizando regímenes homogéneos simples con orientaciones en patrón. En cada espécimen, se inició una pequeña fisura y los especímenes fueron sometidos posteriormente a una tensión a 2mm/minuto. Cambiando el tamaño y la escala de las regiones ordenadas, la trayectoria de fisura se podría alterar. En la figura 28A el espécimen tenía islas pequeñas (cuadrados más oscuros) reforzadas contra una propagación de fisura mientras que las áreas restantes (fase de matriz) se orientaron dentro del plano con ninguna dirección de preferencia o un eje fácil para la propagación de fisura. La fisura permaneció en la fase de matriz y no entro en ninguna de las regiones reforzadas. En un espécimen en el cual se orientaron las islas paralelas a la dirección de fisura (eje fácil), la fisura se desplazó dentro del área más oscura para minimizar la energía de fractura (figura 28B). En el espécimen en la figura 28C, las islas estaban desplazadas y eran más grandes ligeramente que en el espécimen en la figura 28A. En este caso, la propagación de fisura a través de una isla reforzada requirió una energía mayor que la propagación alrededor de la isla, proporcionando una desviación de fisura obvia. Cuando las regiones reforzadas se dispusieron demasiado próximas, sin embargo, como en un patrón de ladrillo y mortero en la figura 28D, la trayectoria de fisura no se vio afectada por las orientaciones en patrón.

El método y los materiales compuestos y las piezas hechas con el método tienen una aplicación en diversas industrias. Los materiales compuestos y las piezas con propiedades mecánicas mejoradas que incluyen altas relaciones de resistencia con respecto al peso pueden proporcionar una resistencia relativa mejorada respecto a materiales comparables fabricados con materiales compuestos moldeados por inyección donde la geometría y el cizallamiento determinan la alineación de la fibra. Materiales compuestos y piezas pueden permitir la producción de dispositivos ligeros fuertes para aplicaciones militares, tales como vehículos microaéreos. Se pueden producir dispositivos biomédicos personalizados, implantes, prótesis y prótesis que son específicas del paciente y diseñadas para maximizar las propiedades del material.

Se pueden proporcionar materiales compuestos y piezas con propiedades de conductividad térmica mejoradas incluyendo una conductividad térmica anisotrópica y programada, tales como rellenos conductores o no conductores. Aplicaciones incluyen componentes aeroespaciales, electrónica embebida y similares.

Se pueden proporcionar materiales compuestos con piezas con propiedades ópticas mejoradas tal como materiales compuestos con arquitecturas con rellenos ópticamente diferentes o filtros de óptica programable.

El proceso y el aparato divulgado en el presente documento permiten que se monten materiales compuestos de fibra discontinua con un control preciso sobre la orientación y la distribución espacial de las partículas de refuerzo utilizando campos magnéticos durante varios procesos de fabricación aditiva. Esta tecnología combina una técnica de montaje de baja energía no invasiva utilizando campos magnéticos para obtener una amplia variedad de rellenos de refuerzo, sean o no inherentemente magnéticos y estructurándolos durante la fabricación en virtualmente cualquier geometría compleja. El método y el aparato se pueden utilizar para crear materiales con propiedades mecánicas, térmicas, ópticas y eléctricas uniformes, anisotrópicas (específicas para una dirección) o altamente heterogéneas (específicas a través del material) (por ejemplo, resistencia a la tracción, conductividad térmica, conductividad eléctrica y opacidad/color). El presente método es altamente programable y reproducible. Por el contrario, las técnicas de fabricación aditiva actuales no permiten una impresión de materiales compuestos polímero-cerámica, y mucho menos materiales compuestos con control sobre la arquitectura de refuerzo. Otros métodos de creación de materiales compuestos reforzados en 3 dimensiones, tales como tejido de fibra o z-pinning, no logran una alta resolución espacial respecto a la orientación de refuerzo que es posible con este método y aparato.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para la producción de una pieza de material compuesto, que comprende las etapas consecutivas de: (a) introducir un material precursor en forma líquida en una primera capa adyacente a la placa de construcción, el material precursor que comprende un material de matriz y partículas magnéticamente sensibles, las partículas magnéticamente sensibles que comprenden un material magnético y el material de matriz que comprende un precursor de un polímero;

(b) orientar las partículas magnéticamente sensibles en una primera alineación con un primer campo magnético; (c) consolidar una primera porción del material de matriz en la primera capa formando un polímero con las partículas magnéticamente sensibles dentro de la primera porción mantenida en la primera alineación, consolidando un primer subconjunto de vóxeles discretos;

(d) orientar una porción adicional de las partículas magnéticamente sensibles en una alineación adicional diferente de la primera alineación con un campo magnético adicional; y

(e) consolidar una porción adicional del material de matriz en la primera capa formando un polímero con las partículas magnéticamente sensibles dentro de una porción adicional mantenida en la alineación adicional, consolidando un subconjunto adicional de vóxeles discretos.

2. El método de la reivindicación 1, que además comprende:

(f) repetir las etapas (d) y (e) hasta que se ha consolidado una porción determinada del material de matriz en la primera capa.

3. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en donde en las etapas (c) y (e), el material de matriz es parcialmente curado, totalmente curado, solidificado, polimerizado, o reticulado.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, que además comprende, cuando se ha consolidado una porción deseada del material de matriz en la primera capa, retirar la primera capa de la placa de construcción e introducir un material precursor adicional adyacente a la placa de construcción en una segunda capa y adyacente a la primera capa.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que además comprende:

(i) consolidar una primera porción del material de matriz en la segunda capa con las partículas magnéticamente sensibles dentro de la primera porción mantenida en la tercera alineación;

(j) orientar una porción adicional de las partículas magnéticamente sensibles en una cuarta alineación con un campo magnético diferente de la tercera alineación;

( l) repetir las etapas (j) y (k) hasta que se ha consolidado una porción deseada del material de matriz en la segunda capa.

6. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde el primer y los campos magnéticos adicionales se aplican mediante una o más fuentes de campo magnético paralelas a un plano de la primera capa y una o más fuentes de campo magnético fuera del plano de la primera capa.

7. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en donde:

el material magnético comprende uno o más de:

un material ferromagnético, un material paramagnético, un material superparamagnético, óxido de hierro, hierro, cobalto, níquel, una aleación de hierro, una aleación de cobalto o una aleación de níquel;

partículas, microperlas, nanopartículas, limaduras, fibras, copos, bastoncillos, filamentos delgados, o plaquetas; o las partículas magnéticamente sensibles comprenden un material no magnético acoplado a un material magnético, y el material no magnético comprende óxido de aluminio, fosfato de calcio, cobre, vidrio, sulfato de calcio, nailon, poliestireno o carburo de silicio.

8. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde el material de matriz comprende uno o más de: un fotopolímero y en la etapa (c) y en la etapa (e), el material de matriz es curado por iluminación de vóxeles seleccionados del material de matriz con radiación que tiene una longitud de onda seleccionada para efectuar un curado del fotopolímero; o

un material acrílico, un material de polimetilmetacrilato o un material de poliuretano.

9. Un aparato para producir una pieza de material compuesto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de método 1 a 8, que comprende:

una placa (110) de construcción en comunicación con una fuente de material (120) precursor que se va introducir en forma líquida, el material precursor que comprende un material de matriz y partículas magnéticamente sensibles, las partículas magnéticamente sensibles que comprenden un material magnético y el material de matriz que comprende un precursor de un polímero;

una fuente (130) de radiación dispuesta para aplicar una radiación en vóxeles discretos a una capa del material precursor dispuesta sobre la placa (110) de construcción;

una pluralidad de fuentes (142a, 142b, 142c, 142d, 142e) de campo magnético dispuesta para aplicar un campo magnético en una pluralidad de orientaciones a la capa de material precursor sobre la placa (110) de construcción; y

una unidad (160) de procesador en comunicación de control con la placa (110) de construcción, la fuente (130) de radiación y la pluralidad de fuentes (142a, 142b, 142c, 142d, 142e) de campo magnético, en donde el procesador (160) incluye instrucciones para llevar a cabo las etapas (a) a (e) consecutivamente para:

(a) introducir un material precursor desde la fuente de material (120) precursor en una primera capa adyacente a la placa (110) de construcción;

(b) accionar una o más de la pluralidad de fuentes (142a, 142b, 142c, 142d, 142e) de campo magnético para aplicar un primer campo magnético a la primera capa para orientar las partículas magnéticamente sensibles en una primera alineación con el primer campo magnético;

(c) accionar una fuente (130) de radiación para consolidar una primera porción del material de matriz en la primera capa mediante la formación de un polímero con las partículas magnéticamente sensibles dentro de la primera porción mantenida en la primera alineación, consolidando un primer subconjunto de vóxeles discretos;

(d) accionar una o más de las fuentes (142a, 142b, 142c, 142d, 142e) de campo magnético para aplicar un campo magnético adicional para orientar una porción adicional de las partículas magnéticamente sensibles en una alineación adicional diferente de la primera alineación con un campo magnético adicional; y

(e) accionar la fuente (130) de radiación para consolidar una porción adicional del material de matriz en la primera capa formando un polímero con las partículas magnéticamente sensibles dentro de una porción adicional mantenida en la alineación adicional, consolidando un subconjunto adicional de vóxeles discretos.

10. El aparato de la reivindicación 9, en donde:

la pluralidad de fuentes (142a, 142b, 142c, 142d, 142e) de campo magnético incluye al menos dos fuentes (142a, 142b, 142c, 142d, 142e) de campo magnético dispuestas para aplicar un campo magnético en una orientación paralela a un plano de la placa (110) de construcción y al menos una de las fuentes (142a, 142b, 142c, 142d, 142e) de campo magnético dispuesta para aplicar un campo magnético en una orientación fuera del plano del plano de la placa (110) de construcción; o

en donde al menos una porción de la pluralidad de fuentes (142a, 142b, 142c, 142d, 142e) de campo magnético está soportada para el movimiento alrededor del plano de la placa (110) de construcción o alrededor de un plano paralelo al plano de la placa (110) de construcción.

11. El aparato de la reivindicación 9, en donde las fuentes (142a, 142b, 142c, 142d, 142e) de campo magnético comprende uno o más de, un solenoide, un solenoide que incluye una bobina (144) que rodea a un núcleo (146) de hierro, un solenoide que incluye una bobina (144) que rodea a una región (146) de núcleo abierta o un electroimán.

12. El aparato de la reivindicación 9, en donde al menos una de las fuentes (142a, 142b, 142c, 142d, 142e) de campo magnético en un plano ortogonal respecto al plano de la placa (110) de construcción comprende un solenoide que incluye una bobina (144) que rodea una región (146) de núcleo abierta y la fuente (130) de radiación se dispone para una radiación directa a través de la región (146) de núcleo abierta a la placa (110) de construcción.

13. El aparato de la reivindicación 9, que además comprende un depósito (120) que comprende la fuente de material (120) precursor, y en donde:

la placa (110) de construcción está montada para un movimiento vertical en el interior y dentro del depósito (120) desde arriba;

al menos una porción de las fuentes (142a, 142b, 142c, 142d, 142e) de campo magnético se dispone circunferencialmente alrededor del depósito (120); o

al menos una de las fuentes (142a, 142b, 142c, 142d, 142e) de campo magnético se dispone verticalmente por debajo del depósito (120) y comprende un solenoide que incluye una bobina (144) que rodea una región (146) de núcleo abierta, y la fuente (130) de radiación se dispone por debajo del solenoide para proyectar radiación a través de la región (146) de núcleo abierta a una capa de material precursor en el depósito (120) adyacente a la placa (110) de construcción.