Çinli alimlər 3D çap texnologiyasının "sənaye problemlərini" həll etməkdə yeni irəliləyiş əldə ediblər!

Bu gün elm və texnologiyaların sürətlə inkişaf etdiyi dövrdə 3D printer texnologiyası kimi güclü şərq küləyi kimi bütün sahələrə yayılıb. Mürəkkəb və dəqiq mexaniki hissələrdən həyəcan verici məhsul modellərinə, fantastik memarlıq prototiplərindən fərdi istifadə məhsullarına qədər 3D printer texnologiyası sonsuz yaradıcılıq və kifayət qədər elastikliklə təsirləri həyata keçirərək insanların həyatını daha da asanlaşdırır və eyni zamanda bizə təəccüblər gətirir.

3D printer texnologiyasının iş prinsipi

3D printer texnologiyası, yəni əlavə istehsal texnologiyası, materialları qat-qat yığılaraq üçölçülü obyektlər yaratmaq üçün inkişaf etmiş istehsal üsuludur. Onun prinsipi kimi təsvir oluna bilən "qat-qat istehsal, qat-qat yığılma" ilə bənzərdir ki, bu da sadəcə olaraq kərpicdən ev tikmək kimidir.

3D çap etmə prosesi çətin deyil. Əvvəlcə rəqəmsal model kompüterdən köməkli dizayn proqramı vasitəsi ilə yaradılır və ya əldə edilir, sonra model çox nazik en kəsiklər (yəni dilimlər) seriyasına bölünür və hər bir dilimin qalınlığı adətən onlarla mikronla yüzlərlə mikron arasında dəyişir. Sonra bu dilim məlumatlarına əsasən 3D printer müəyyən texnologiya və materiallar vasitəsi ilə son obyekti təbəqə-təbəqə yaradır.

3D çap proseslərinə ərimiş çöküntü modelləşdirmə (FDM), foto-stereolitografiya 3D çap (SLA, DLP, LCD), seçici lazer sintezləmə (SLS), seçici lazer ərimə (SLM), stereoskopik inkjet çap (3DP) və təbəqə-təbəqə istehsal (LOM) daxildir.

Birləşdirilmiş çöküntü modelləşdirmə (FDM) filamentli termoplastik materialların püskürtmə başlığından keçərək qızdırılması və əriməsi, platformanın üzərinə qat-qat çöküntüyə uğraması və nəhayət, üçölçülü obyektə çevrilməsi prosesidir. Bu texnologiya tez-tez ham verilənlər kimi termoplastik materiallardan istifadə edir: akrilonitril-butadien-stiren kopolimeri (ABS), polilaktik turşu (PLA) və s. Bu texnologiyada avadanlıqlara olan tələblər aşağıdır və istifadəsi asandır, fərdlər və kiçik studiyalar üçün uyğundur. Son zamanlar oyuncaq bazarında populyar olan "fərənci bıçağı" və "teleskopik şəmsir" də bu üsulla hazırlanır.

Stereolitografiya 3D çapı (SLA, DLP, LCD) müəyyən zolaq və formalı işığı istifadə edərək işıq-həssas reçinəni şüalandırır, işıq-həssas reçinə qat-qat sərtləşdirilir və istənilən formanı əldə etmək üçün obyektlər yaradılır. Bu texnologiyada formalaşma dəqiqliyi yüksəkdir və səthi hamardır, detallı modellərin və kiçik hissələrin hazırlanması üçün uyğundur.

Selektiv lazer sintezlənməsi (SLS) toz materialları ərimək və birləşdirmək üçün şüanı tarama üçün lazer şüasından istifadə edir və onları qat-qat üçölçülü obyektə toplayır. Bu texnologiya xammal kimi toz (məsələn, nilon, metal tozu, keramika tozu və s.) istifadə edir, yüksək model dəqiqliyinə malikdir və mürəkkəb strukturlu funksional hissələrin istehsalına uyğundur.

Selektiv lazer əriməsi (SLM) daha yüksək lazer enerjisinə malikdir, selektiv lazer sintezlənməsinə (SLS) bənzəyir və metal tozunu tamamilə əritmək üçün istifadə olunur və metal hissələrin sürətli prototipləşdirilməsini təmin edir. Bu texnologiya tez-tez metal tozu (məsələn, titan ərintisi, nömrəli polad və s.) xammal kimi istifadə olunur, yüksək möhkəmlikli, yüksək dəqiq metal hissələrini çap edə bilər və kosmik gəmiçilik, tibb və digər sahələrdə geniş tətbiq olunur.

Stereo inkjet çap etmə (3DP) toz halında olan materiallardan (metal və ya metall olmayan) və yapışdırıcı kimi istifadə edilən maddələrdən istifadə edir və hər bir komponenti təbəqə-təbəqə yapışdırma mexanizmi ilə çap edir. Bu çap texnologiyası ilə hazırlanmış nümunələr həqiqi məhsulla eyni rəngə malikdir və hazırda daha yetkin rəngli 3D çap texnologiyasıdır.

Qat-qat obyekt istehsalı (LOM) nazik vərəq materiallarından (məsələn, kağız, plastik film və s.) və isti ərimə yapışdırıcıdan istifadə edir və lazımi obyektləri lazer kəsmə və istilik yapışdırma yolu ilə təbəqə-təbəqə yığır. Bu texnologiya sürətli formalaşdırma sürətinə və aşağı material dəyərinə malikdir və böyük konstruksiyaların və qabların hazırlanması üçün uyğundur.

3D printinq texnologiyası məhsulunun yüksək bərpa dərəcəsi var, lakin o, printinq üçün istifadə edilən ilkin materiallarla məhdudlaşır. 3D çap edilmiş məhsullar yüksək dərəcədə nazikdir və xarici təsirlər nəticəsində asanlıqla sınır. Belə məhsullar mexaniki xassələrə yüksək tələb olduğu hallarda istifadə edildikdə, bəzi cəhətdən "qabiliyyətsiz" görünür. Belə olduqda 3D çap edilmiş məhsulların "şüşə ürəyini" necə artırmaq olar ki, onlar yaxşı görünən "dəri" qatına və asan sınmayan "elastikliyə" malik olsunlar?

3 iyul 2024-cü ildə Çin alimləri "Nature" jurnalında 3D çap edilmiş elastomerlər üzərində aparılan tədqiqat nəticəsini dərc etdilər. Bu texnologiya ilə hazırlanmış rezin zolaqlar uzunluqlarının 9 qatına qədər uzadıla bilər və maksimum dartı möhkəmliyi 94,6 MPa-a çata bilər, yəni 1 kvadrat millimetrdə təxminən 10 kq-a qədər çəkiyə davam gətirə bilər, bu da super yüksək möhkəmlik və elastiklik göstərir.

"Formalaşma sürəti ilə hazır məhsulların elastikliyi arasında "uzlaş"

Fotokürleme 3D printer (SLA, DLP, LCD) prosesində istehsalat səmərəliliyini artırmaq üçün daha sürətli formalaşma sürətinə ehtiyac var, bu isə materialın çarpaz rabitə sıxlığının artmasına və sərtləşmə prosesində materialın elastikliyinin azalmasına səbəb olur. Konvensiya üsulları ilə materialın elastikliyi artır, lakin materialın özlülüyü də artar ki, bu da axınca keyfiyyətinin azalmasına və formalaşma sürətinin düşməsinə səbəb olur. 3D printerin formalaşma sürəti ilə hazır məhsulun elastikliyi arasındakı ziddiyyət sənaye üçün həmişə problem olmuşdur.

Çinli alimlər bu iki ziddiyyəti "aradan qaldırmışlar"dır. Tədqiqatçılar, işıqla bərkidilən 3D çap üçün xammal olan fotosensitiv smolun tədqiqi və çap prosesinin parçalanması yolu ilə mərhələli çap və sonrakı emal strategiyasını təklif etdilər. Tədqiqatçılar, əsas zəncirində dinamik olaraq maneə törədən urea rabitəsi və iki karboksil qrupu olan dimetakrilatın DLP (rəqəmsal işıq emalı) prekursorunu hazırladılar. Çap və formalaşdırma mərhələsi zamanı bu əsas komponentlər "dormant" vəziyyətdədir və formalaşdırdıqdan sonra emal mərhələsində möhkəmləyici rol oynayır.

a. 3D çap edilmiş obyektlər və onların sonrakı emal zamanı ölçülərində dəyişiklik; b. 3D çap edilmiş balonların antipunksiya xassəsi; c. Mexaniki punktor qüvvəsinin modelləşdirilməsi; d-e. 3D çap edilmiş pnevmatik qripçinin çəki qaldırma testi. Şəkil mənbəyi: İstinad [1]

90°C temperaturada post-emal prosesində 3D çaplı məhsullarda olan maneəli urea rabitələri dissosiasiya olunur və izosianat qrupları əmələ gətirir. Bu izosianat qrupları bir tərəfdən amidlə birləşərək yan zəncir karboksil qrupları ilə amid rabitələri yaradır, digər tərəfdən isə karboksil turşusu tərəfindən udulan su ilə reaksiyaya girərək urea rabitələrini əmələ gətirir. Molekullar daxilində kimyəvi rabitələrdə baş verən dəyişikliklər materialın tək şəbəkə strukturunu bir-birinə dolanmış şəbəkə strukturuna çevirir ki, bu da "əl-ələ" tutulmağa bənzəyir. Bu proses nəticəsində daha çox hidrogen rabitələri yaranır və materialın daxili strukturu möhkəmlənir. Dəqiq materialın daxili strukturunda baş verən bu dəyişikliklər səbəbindən 3D çaplı məhsullar xarici təsirlər nəticəsində deformasiyaya uğrayanda daha böyük amortizasiya sahəsinə malik olur. Bu avtomobil toqquşmasında enerjinin udulması effekti ilə müqayisə oluna bilər və məhsulun təsirə və sınmaya davamlılığını artıraraq daha yüksək möhkəmlik xassəsi göstərir.

Eksperimental nəticələr yalnız 0,8 mm qalınlığında DLP prekursorundan istifadə edərək 3D çapla hazırlanmış plənkin çox güclü antipunksiya xüsusiyyəti nümayiş etdiyini göstərir və bu onun 74,4 Nyuton təzyiqə davam gətirməsinə imkan verir. Hətta yüksək təzyiqli şəraitdə belə 3D çaplı pnevmatik qrip 70 qram çəkiyə malik, səthində kəskin dikənli mis topu qırılmadan tutmağa qabiliyyətli olur, bu da 3D çaplı məhsulların ultra yüksək möhkəmliyini və konstruktiv möhkəmliyini nümayiş etdirir.

3D çaplı elastomerlərin geniş tətbiqi

İdman avadanlıqları sahəsində 3D çap edilmiş elastomerlər idmançılara şəxsi, yüksək performanslı avadanlıqlar təqdim edir. Məsələn, fərdi stelçalar və qoruyucu avadanlıqlar elastomerlərin təkan udma və dəstək xassələrindən istifadə edərək idmançıların idman performansını optimallaşdırır və geyinmə təcrübəsini artırır. Xüsusilə ekstremal idman növlərində və yüksək təsirli idmanlarda 3D çap edilmiş elastomer materialları idmançıların məşq zamanı aldığı təsiri əhəmiyyətli dərəcədə azalda və onların oynaqlarını və əzələlərini zədələnmədən qoruya bilər.

Avtomobil və kosmik sənaye sahələrində 3D çap edilmiş elastomerlər yüngül təkan udan hissələr və sıxlıq kimi əsas komponentlər üçün istifadə olunur. Bu hissələr mürəkkəb konstruksiya dizaynları vasitəsilə çəkini azalda bilir və yüksək performansı saxlayır.

Elektron məhsullar sahəsində ağıllı dinamiklər, ağıllı bəzəklər, mobil telefon qutuları və digər məhsullar elastomer materiallarla çap edilə bilər. Bu məhsullar yalnız əla yumşaq və elastiklik xüsusiyyətlərinə malik deyil, həm də yüksək aşınma və möhkəmlik müqavimətinə malikdir və məhsulun görünüşü və performansına dair istehlakçıların müxtəlif tələblərini ödəyə bilir.

Sənaye istehsalı sahəsində 3D çap elastomer texnologiyası müxtəlif sənaye matritsalari, təsirli remni və digər hissələrin istehsalı üçün istifadə olunur. Bu hissələr daha böyük mexaniki gərginliklərə və titrəmələrə dözümlü olmalıdır və elastomer materiallar əla elastiklik və yorulma müqaviməti sayəsində ideal seçimdir. Bu hissələrin 3D çap texnologiyası ilə istehsalı yalnız istehsalat səmərəliliyini artırır, həm də istehsal xərclərini azaldır.

3D çap elastomer texnologiyasının yaranması 3D çap məhsullarının istifadə sahələrini daha da genişləndirdi və həyatımıza daha çox rəngarəng imkanlar gətirdi.