Čínští vědci dosáhli nového průlomu při řešení „průmyslových problémů“ technologie 3D tisku!

Díky rychlému rozvoji vědy a techniky se technologie 3D tisku rozšířila do všech odvětví jako silný východní vítr. Od složitých a přesných mechanických dílů až po životně věrné modely produktů, od fantastických architektonických návrhů po personalizované denní potřeby – technologie 3D tisku díky nekonečné kreativitě a dostatečné pružnosti přináší představivost do reality, činí život lidí pohodlnějším a zároveň nám přináší překvapení.

Princip fungování technologie 3D tisku

technologie 3D tisku, známá také jako technologie aditivní výroby, je inovativní výrobní metodou, která vytváří trojrozměrné objekty postupným nanášením jednotlivých vrstev materiálu. Její princip je podobný jako při stavbě cihelného domu a může být jednoduše shrnut jako „výroba po vrstvách, postupné skládání vrstev.“

Proces 3D tisku není složitý. Nejprve je vytvořen nebo získán digitální model pomocí softwaru pro počítačový návrh a poté je model rozřezán na sérii velmi tenkých vrstev (tzv. slice), přičemž tloušťka každé vrstvy obvykle činí desítky až stovky mikronů. Poté 3D tiskárna na základě informací o těchto vrstvách postupně vytváří finální objekt pomocí konkrétních technologií a materiálů.

mezi procesy 3D tisku patří modelování metodou fúzního vytlačování (FDM), stereolitografický 3D tisk (SLA, DLP, LCD), selektivní laserové sinterování (SLS), selektivní laserové tavení (SLM), stereoinjektážní tisk (3DP) a výroba po vrstvách (LOM).

Fused deposition modeling (FDM) je proces, při kterém jsou filamentové termoplastické materiály zahřívány a taveny skrze trysku, následně vrstveně nanášeny na platformu a nakonec ztuhnou ve třírozměrný objekt. Tato technologie často využívá termoplastické materiály jako suroviny, například acrylonitrile-butadiene-styrenový kopolymer (ABS), kyselinu polymléčnou (PLA) apod. Má nízké nároky na zařízení a je snadno ovladatelná, vhodná pro jednotlivce a malé dílny. Hračky, jako například „ředkový nůž“ a „teleskopický meč“, které jsou v současnosti populární na trhu s hračkami, jsou vyráběny právě tímto způsobem.

Stereolitografický 3D tisk (SLA, DLP, LCD) využívá světlo určité vlnové délky a tvaru k ozáření světlocitlivé pryskyřice, při kterém se pryskyřice vytvrzuje po vrstvách a vytváří objekty požadovaného tvaru. Tato technologie má vysokou přesnost vytváření tvaru a hladký povrch, vhodná je pro výrobu jemných modelů a malých dílů.

Selektivní laserové sinterování (SLS) využívá laserový paprsek k prosvětlování práškových materiálů, které tím taje a spojuje sebe navzájem, postupně vytváří prostorový objekt vrstva po vrstvě. Tato technologie využívá prášek jako surový materiál (např. nylon, kovový prášek, keramický prášek apod.), má vysokou přesnost tvorby modelu a je vhodná pro výrobu funkčních dílů se složitou strukturou.

Selektivní laserové tavení (SLM) má vyšší laserovou energii, podobně jako selektivní laserové sinterování (SLS), a může zcela rozpustit kovový prášek, čímž umožňuje rychlou výrobu kovových prototypů. Tato technologie často využívá kovový prášek (např. slitinu titanu, nerezovou ocel apod.) jako surový materiál, umožňuje tisknout kovové díly s vysokou pevností a přesností a je široce využívána v leteckém a lékařském průmyslu.

Stereo inkjetové tiskové technologie (3DP) využívají práškové materiály (kovové nebo nekovové) a lepidla jako suroviny a pomocí vazebného mechanismu vytvářejí jednotlivé komponenty po vrstvách. Vytisknuté vzorky mají stejnou barvu jako skutečný produkt a v současnosti se jedná o zralou technologii barevného 3D tisku.

Technologie výroby laminovaných objektů (LOM) využívá tenké deskové materiály (například papír, plastová fólia apod.) a horkovazné lepidlo jako suroviny a požadované objekty vytváří postupným laserovým řezáním a tepelným svařováním jednotlivých vrstev. Tato technologie umožňuje rychlou výrobu při nízkých nákladech na materiál a je vhodná pro výrobu velkých konstrukcí a skříní.

Ačkoli produkt technologie 3D tisku má vysokou míru obnovy, je omezen tiskovými surovinami. Výrobky vytvořené pomocí 3D tisku jsou velmi křehké a snadno se lámu pod vlivem vnějších sil. Pokud se tyto výrobky použijí v prostředích s vysokými nároky na mechanické vlastnosti, projeví se jejich jistá "nepoužitelnost". Jak tedy zlepšit "skleněné srdce" výrobků vytvořených 3D tiskem, aby měly estetický "vzhled" a zároveň "pružnost", která se nesnadno láme?

Dne 3. července 2024 zveřejnili čínští vědci v časopise Nature výsledek výzkumu týkající se 3D tištěných elastomerů. Tento technologií připravené pryžové pásky lze natahnout až na 9násobek jejich vlastní délky a maximální pevnost v tahu může dosáhnout 94,6 MPa, což odpovídá tomu, že 1 mm² může vydržet téměř 10 kilogramů tíhy, a tím prokazují svou extrémně vysokou pevnost a houževnatost.

"Rekonce" mezi rychlostí formování a houževnatostí výsledných výrobků

Při procesu výroby 3D tisku pomocí fotonásobení (SLA, DLP, LCD) vyžaduje zvýšení výrobní efektivity rychlejší rychlost formování, což vede ke zvýšení síťování materiálu a ke snížení houževnatosti materiálu během procesu vytvrzování. U konvenčních metod, zatímco houževnatost materiálu roste, viskozita materiálu také stoupá, což vede ke snížení tekutosti a ke snížení rychlosti formování. Rozpor mezi rychlostí formování 3D tisku a houževnatostí výsledného produktu dlouhodobě znepokojuje celý průmysl.

Čínští vědci se pokusili tyto dva protimluvy "smířit". Vědci navrhli strategii pro etapový tisk a následné zpracování tisku, při níž analyzovali světlocitlivou pryskyřici používanou v procesu fotokatalytického vytvrzování a rozložili proces tisku na jednotlivé kroky. Vědci navrhli DLP (digital light processing) prekurzor dimetakrylátu, který obsahuje dynamicky bráněnou močovinovou vazbu a dvě karboxylové skupiny v hlavním řetězci. Během fáze tisku a formování jsou tyto klíčové komponenty ve stavu "spánku" a ve fázi následného zpracování plní funkci zpevnění.

a. 3D tištěné objekty a jejich rozměrové změny během následného zpracování; b. Odolnost proti propíchnutí 3D tištěných balónků; c. Modelování mechanické síly propíchnutí; d-e. Test zvedání závaží pomocí 3D tištěného pneumatického svěráku. Zdroj obrázku: Reference [1]

Během etapy dokončování při 90°C se v 3D tištěných výrobcích uvolňují blokované močovinové vazby, čímž vznikají izokyanátové skupiny. Ty jednak tvoří amidové vazby s karboxylovými skupinami postranního řetězce a jednak reagují s vodou adsorbovanou karboxylovou kyselinou za vzniku močovinových vazeb. Změny chemických vazeb uvnitř molekul spojují jednoduchou síťovou strukturu v materiálu do prostupující síťové struktury podobné spojení "ruka v ruce", čímž vzniká více vodíkových vazeb a posiluje se vnitřní struktura materiálu. Právě díky změnám ve vnitřní struktuře materiálu mají 3D tištěné výrobky větší tlumicí prostor při deformaci působením vnějších sil, podobně jako u energetického pohlcování při nárazu vozidla, což zlepšuje odolnost výrobku proti nárazům a lomu a zvyšuje jeho houževnatost.

Experimentální výsledky ukazují, že film připravený pomocí 3D tisku s využitím DLP prekurzoru s tloušťkou pouhých 0,8 mm vykazuje extrémně silnou odolnost proti propíchnutí, díky čemuž snese sílu 74,4 Newtonů bez přetržení. I za podmínek vysokotlakého nafukování může 3D tištěný pneumatický uchopovač nadále uchopit měděnou kouli vážící 70 gramů s ostrými trny na povrchu, aniž by se přitom poškodil, což dokonale prokazuje ultra vysokou houževnatost a strukturální pevnost 3D tištěných výrobků.

Široké uplatnění 3D tištěných elastomerů

V oblasti sportovního vybavení poskytují 3D tištěné elastomery sportovcům personalizované a vysoce výkonné vybavení. Například si můžeme vzít podešve a ochranné pomůcky, které využívají tlumení nárazů a podpůrné vlastnosti elastomerů k optimalizaci sportovního výkonu a zlepšení pohodlí při nošení. Obzvlášť ve sportech jako jsou extrémní nebo nárazové, mohou 3D tištěné elastomerové materiály výrazně snížit zátěž na tělo sportovce během cvičení a chránit jeho klouby a svaly před zraněními.

V automobilovém a leteckém průmyslu se 3D tištěné elastomery používají pro klíčové komponenty, jako jsou lehké tlumiče nárazů a těsnění. Tyto komponenty mohou snížit hmotnost a zároveň udržet vysoký výkon díky složitým konstrukčním návrhům.

V oblasti elektronických produktů lze u chytrých reproduktorů, chytrých náramků, pouzder pro mobilní telefony a dalších produktů použít tiskové elastomerové materiály. Tyto produkty nejen že disponují vynikající měkkostí a pružností, ale také mají vysokou odolnost proti opotřebení a trvanlivost, čímž splňují různorodé požadavky spotřebitelů na vzhled a výkon produktů.

V oblasti průmyslové výroby se využívá technologie 3D tisku elastomerů pro výrobu různých průmyslových forem, pásů pro přenos výkonu a dalších dílů. Tyto díly musí odolávat většímu mechanickému namáhání a vibracím, a proto jsou elastomerové materiály ideální volbou díky své vynikající pružnosti a odolnosti proti únavě materiálu. Výroba těchto dílů prostřednictvím technologie 3D tisku nejen zvyšuje efektivitu výroby, ale také snižuje výrobní náklady.

Zavedení technologie 3D tisku elastomerů dále rozšířilo scénáře využití produktů 3D tisku a přineslo do našich životů pestřejší možnosti.