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A capacidade de aderir partículas a materiais semelhantes à borracha, como o silicone, oferece vantagens tanto na indústria quanto na pesquisa. No entanto, é bem sabido que a colagem a superfícies de materiais com baixa energia superficial pode ser um desafio. Em geral, pesquisadores cujos métodos experimentais requerem um padrão ou desenho na superfície de seus espécimes costumam usar tintas especialmente formuladas para aerografia, como as fabricadas por Createx e Vallejo 1,10. Essas aplicações que usam tinta geralmente requerem um primer e ainda não conseguem atingir a durabilidade necessária dos padrões. Em substratos flexíveis, a tinta pode manchar ou cair em flocos à medida que racha durante os testes mecânicos. Essas falhas adesivas de marcação alteram o campo de dados capturado por um método de rastreamento óptico, como a correlação de imagem digital. Nosso método garante durabilidade duradoura do padrão de superfície. Atualmente, temos amostras com mais de 6 anos que tentamos manchar agressivamente e remover o padrão de superfície mecanicamente. Todos os esforços para remover essas marcações falharam, demonstrando a robustez dos padrões de superfície.
Na indústria, também pode ser necessário aplicar desenhos, símbolos ou palavras à superfície de materiais semelhantes à borracha para instruções de segurança e processo, como a instalação de uma junta. Por exemplo, na indústria automobilística, é comum imprimir palavras como "ESTE LADO PARA CIMA" ou imprimir uma seta em uma junta de borracha para fornecer instruções claras de instalação. Tradicionalmente, essas marcações são obtidas modificando a superfície do molde para que as palavras fiquem acima ou abaixo da superfície do restante da peça. Este método requer que um novo molde seja fabricado cada vez que as marcações precisam ser alteradas. Além disso, a peça final terá uma espessura diferente onde a impressão está localizada, levando a possíveis locais de falha durante a operação. Nosso método supera ambos os problemas, não alterando os moldes de forma alguma e permitindo que a superfície do material final permaneça com uma espessura uniforme.
Testes mecânicos foram realizados para confirmar que nosso método de padronização não afeta os atributos mecânicos do material. Testamos repetidamente amostras em uma variedade de modos de carregamento, como cisalhamento simples, tensão uniaxial, compressão e até testes de impacto. Além disso, este método é ambientalmente seguro quando comparado a métodos alternativos de aplicação de tinta. Evitamos o uso de solventes de tinta tóxicos e voláteis, utilizando álcool em nossa solução ao escovar o molde com ar. Finalmente, uma característica notável do nosso método é a capacidade de criar padrões multicoloridos e de alta resolução na superfície da amostra. O método é limitado pelo tamanho da partícula e precisão de fabricação do estêncil. O tamanho da partícula deve ser suficientemente pequeno para atingir a fidelidade desejada e superar a vazão do processo de moldagem por injeção. O tamanho e a geometria da amostra são limitados apenas pelo tamanho do molde e pelo material escolhido. Fabricamos cubos de 2 polegadas com sucesso utilizando silicone com uma vida útil mínima de aproximadamente 20 minutos à temperatura ambiente.
O método de fabricação do estêncil afetará diretamente o tamanho do recurso, a resolução e a capacidade de criar um design de alta fidelidade na cavidade do molde durante o revestimento por pulverização de partículas. Consideração cuidadosa de qual fabricação de estêncil é parte integrante do método de padronização. Aqui, fornecemos um conjunto simples de técnicas de preparação de estêncil, juntamente com o tamanho mínimo do recurso que pode ser formado com cada técnica, lmin. Primeiro, corte manual com uma faca artesanal: Ferramentas de precisão como facas X-Acto ou lâminas utilitárias são melhores para designs detalhados e intrincados e funcionam bem com materiais como folhas de plástico, mylar ou cartolina (lmin ≥ 1 mm). Em segundo lugar, corte manual com tesoura: Pode ser usado para materiais leves como papel ou vinil fino para produzir formas simples e desenhos menos intrincados (lmin ≥ 1 mm). Em terceiro lugar, máquinas de corte e vinco como Cricut ou Silhouette: podem cortar desenhos complexos com precisão usando materiais como vinil adesivo ou cartolina (lmin ≥ 250 μm). Quarto, corte a laser: uma opção de alta tecnologia para padrões complexos adequados para estênceis de acrílico, madeira ou plástico grosso (lmin ≥ 100 μm). Quinto, ferramentas de corte a quente: facas elétricas quentes ou ferros de solda podem derreter através de materiais de estêncil termoplástico como mylar ou outros filmes de polímero extrudado (lmin ≥ 1 mm). Este método produz bordas suaves. Sexto, puncionamento: útil para formas pequenas e repetitivas e funcionam melhor em materiais leves (lmin ≥ 100 μm). Finalmente, os roteadores controlados por computador podem ser utilizados para projetos de estêncil em escala grande ou industrial (lmin varia).
Em qualquer novo protocolo de fabricação, certas etapas do processo são críticas para alcançar o resultado desejado. Em nosso método, existem três etapas que devem ser destacadas e receber atenção especial. O primeiro passo crítico é permitir que o álcool evapore completamente da suspensão de partículas retocadas, deixando apenas as partículas aderidas à superfície do molde. Se o álcool não evaporar completamente, há uma grande chance de que o desenho no molde manche e/ou o álcool se misture com o material não curado durante o processo de moldagem por injeção. O tamanho das partículas deve ser suficientemente pequeno, pois essas partículas, que ficam suspensas na "tinta" de álcool no aerógrafo, aderem ao molde após a evaporação total do álcool. O tamanho das partículas é uma limitação importante a ser observada. Se as partículas forem muito grandes, as forças de Van der Waals serão insuficientes para aderir de forma segura e permanente as partículas à superfície da superfície do material semelhante à borracha. No entanto, partículas de tamanho adequado podem ser obtidas de forma acessível e fácil de vários fornecedores comerciais de pigmentos.
A segunda etapa crítica é a quantidade de adesivo, que mantém temporariamente o estêncil no molde. Em nossa experiência, a melhor maneira de executar esta etapa é usar uma passagem rápida de um adesivo em spray. Recomendamos o mínimo de adesivo possível, garantindo que o estêncil tenha contato completo com o molde. Ao achatar manualmente o estêncil no molde com o dedo ou um instrumento apropriado, como uma espátula de borracha, o contato isolante pode ser formado. Se as aberturas do estêncil não estiverem completamente planas contra o molde, a suspensão de partículas migrará sob as bordas do padrão do estêncil durante a escovação a ar, diminuindo significativamente a nitidez das bordas do design da superfície. Se muito adesivo for usado, remover o estêncil será um desafio e poderá danificar o design recém-aplicado. Além disso, muito adesivo fará com que a amostra adira fortemente ao molde durante o processo de cura, tornando o processo de desmoldagem quase impossível sem causar danos à amostra.
A terceira etapa crítica é a taxa de injeção do silicone não curado durante o processo de moldagem por injeção. Em nossa experiência, observamos que a(s) taxa(s) de fluxo de moldagem por injeção suficientemente lenta(s) não superou as forças de Van der Waals aderindo as partículas finas ao molde, permitindo que a cavidade do molde fosse preenchida sem perturbar as partículas padronizadas. Alguns testes empíricos são necessários para determinar uma taxa de injeção ideal que seja lenta o suficiente para evitar manchas no padrão, mas rápida o suficiente para preencher a cavidade do molde antes do início da cura do silicone. Retardantes de cura podem ser adicionados à mistura se forem feitas peças de maior volume. A viscosidade e o tempo de cura do material ditarão a taxa de injeção apropriada para o sistema de cada material.