Kinesiske videnskabsmænd har gjort en ny gennembrud i løsningen af "industrielle problemer" inden for 3D-printingsteknologi!

Med den hurtige udvikling af videnskab og teknologi i dag har 3D-printteknologi spredt sig til alle samfundslag som en stærk østenvind. Fra komplekse og præcise mekaniske dele til livagtige produktmodeller, fra fantastiske arkitektoniske prototyper til personlige dagligvarer har 3D-printteknologien med sin uendelige kreativitet og tilstrækkelig fleksibilitet bragt fantasi til virkelighed, gjort menneskers liv mere bekvemme og samtidig bragt os overraskelser.

Arbejdsprincip for 3D-printteknologi

3D-printteknologi, også kendt som additiv fremstillings-teknologi, er en innovativ produktionsmetode, der bygger tredimensionale objekter ved at stable materialer lag for lag. Dens princip fungerer på samme måde som byggeri af en murstenshus, og kan kort fortalt sammenfattes som "lagvis produktion, lag for lag opstakning".

3D-printprocessen er ikke kompliceret. Først oprettes eller opnås en digital model via software til computerstøttet design, og derefter deles modellen op i en serie meget tynde tværsnitslag (dvs. skiver), og tykkelsen af hvert lag er typisk mellem ti'ers mikron og hundredevis af mikron. Derefter bygger 3D-printeren det endelige objekt lag for lag baseret på disse skiveoplysninger ved hjælp af specifik teknologi og materialer.

3D-printprocesser omfatter fused deposition modeling (FDM), fotostereolitografi 3D-printning (SLA, DLP, LCD), selektiv lasergenerering (SLS), selektiv laser smeltning (SLM), stereoinkjetprintning (3DP) og lag-for-lag-fremstilling (LOM).

Fused Deposition Modeling (FDM) er en proces, hvor trådformede termoplastmaterialer opvarmes og smeltes gennem en dyse, lag på lag afleveres på en platform og til sidst hærdes til et tredimensionelt objekt. Denne teknologi bruger ofte termoplastmaterialer som råmateriale, såsom acrylonitril-butadien-styren-copolymer (ABS), polylactid (PLA) osv. Den har lave krav til udstyr og er nem at betjene, egnet til private og små studier. De "radish knife" og "telescopic sword", der for nylig har været populære på legetøjsmarkedet, er lavet på denne måde.

Stereolithografi 3D-printning (SLA, DLP, LCD) bruger lys i et bestemt bånd og form til at bestråle lysfølsomt harpiks, og det lysfølsomme harpiks hærdes lag for lag for at skabe objekter i den ønskede form. Denne teknologi har høj formningsnøjagtighed og glat overflade og er egnet til fremstilling af fine modeller og små komponenter.

Selektiv lasersistning (SLS) bruger en laserstråle til at scanne pulvermaterialer for at smelte og binde dem sammen, og akkumulerer lag for lag til et tredimensionelt objekt. Denne teknologi bruger pulver som råmateriale (såsom nylon, metalpulver, keramikpulver osv.), har høj formningsnøjagtighed og er egnet til fremstilling af funktionelle dele med komplekse strukturer.

Selektiv lasersmeltning (SLM) har højere laserenergi, ligner selektiv lasersistning (SLS), og kan fuldstændigt smelte metalpulver for at opnå hurtig fremstilling af metaldele. Denne teknologi bruger ofte metalpulver (såsom titanlegering, rustfrit stål osv.) som råmateriale, kan printe højstyrke, højnøjagtige metaldele og anvendes bredt inden for luftfart, medicin og andre felter.

Stereo inkjet-printning (3DP) anvender pulvermaterialer (metal eller ikke-metal) og lim som råmaterialer og bruger bindingsmekanismen til at printe hver komponent lag for lag. De formede prøver af denne printteknologi har samme farve som det faktiske produkt, og det er i øjeblikket en mere moden farve 3D-printteknologi.

Laminering af objekter (LOM) anvender tynde pladematerialer (såsom papir, plastfilm osv.) og varmtsmelteklæbemiddel som råvarer og opbygger de nødvendige objekter lag for lag gennem laserudskæring og termisk limning. Denne teknologi har en hurtig formingshastighed og lav materialepris og er egnet til fremstilling af store strukturer og skaller.

Selvom 3D-printet teknologiprodukt har en høj grad af restitution, er det begrænset af de rå materialer, der anvendes til printning. 3D-printede produkter er meget skrøbelige og let at knække ved eksterne kræfter. Når sådanne produkter anvendes i scenarier med høje mekaniske krav, vil de virke noget "uhæmmede". Så hvordan kan man forbedre 3D-printede produkters "glas-hjerte", så de får et pænt udseende "hud" og en fleksibilitet, der ikke er let at knække?

Den 3. juli 2024 offentliggjorde kinesiske videnskabsmænd et forskningsresultat om 3D-printede elastomerer i tidsskriftet Nature. De ved hjælp af denne teknologi fremstillede elastikbånd kan strækkes op til 9 gange deres egen længde, og den maksimale trækstyrke kan nå 94,6 MPa, hvilket svarer til, at 1 kvadratmillimeter kan bære næsten 10 kilogram tyngdekraft, og viser en ekstremt høj styrke og sejhed.

"Forsoning" mellem formningshastighed og sejhed hos færdige produkter

I forbindelse med fotokemisk hærdning ved 3D-printning (SLA, DLP, LCD) kræver forbedring af produktionseffektiviteten en hurtigere formningshastighed, hvilket fører til en øget grad af krydsbindingsdæmpning af materialet og et fald i materialets sejhed under hærdningsprocessen. Med konventionelle metoder vil materialets sejhed stige, men viskositeten vil også stige, hvilket fører til et fald i flydningsevnen og en reduktion i formningshastigheden. Modstriden mellem formningshastigheden ved 3D-printning og sejheden af det færdige produkt har altid været en udfordring for hele industrien.

Kinesiske videnskabsmænd har "forenet" disse to modstridende faktorer. Forskerne fremsatte en strategi for trinvis udskrivning og efterbehandling ved at analysere råmaterialet fotofølsom harsk fra fotokemisk 3D-udskrivning og adskille udskrivningsprocessen. Forskerne designede en DLP (digital light processing) præcursor af dimethacrylat, som indeholder en dynamisk hindret urébinding og to carboxylgrupper i hovedkæden. I udskrivnings- og formningsfasen er disse nødvendige komponenter i en "dødvågen" tilstand og spiller en forstærkende rolle i efterformningsprocessen.

a. 3D-printede objekter og deres dimensionale ændringer under efterbehandling; b. Anti-gennemborende egenskaber hos 3D-printede balloner; c. Modellering af mekanisk gennemborende kraft; d-e. 3D-printet pneumatisk griber tests med vægtløftning. Billedkilde: Reference [1]

I postprocesseringsfasen ved 90°C dissocierer de hæmmede urébindinger i de 3D-printede produkter og danner isocyanatgrupper, som dels danner amidebindinger med carboxylgrupperne i sidekæden, og dels reagerer med det vand, som er absorberet af carboxylsyren, og danner urébindinger. Ændringerne i de kemiske bindinger inden for molekylerne forbinder den enkelte netværksstruktur i materialet til en gennemtrængende netværksstruktur, der minder om at gå "ved hånden", hvilket skaber flere brintbindinger og styrker materialets indre struktur. Det er netop på grund af ændringerne i materialets indre struktur, at de 3D-printede produkter har et større pusterum, når de deformeres af eksterne kræfter, ligesom energiabsorptionseffekten ved en bil sammenstød, hvilket forbedrer produktets slagstyrke og brudmodstand og giver højere sejhed.

De eksperimentelle resultater viser, at filmen fremstillet ved 3D-printning ved anvendelse af DLP-præcursor med en tykkelse på kun 0,8 mm udviser ekstremt stærk anti-gennemborende egenskaber og kan dermed modstå en kraft på 74,4 Newton uden at brække. Selv under højtryksopblæsningsbetingelser kan den 3D-printede pneumatiske griber stadig gribe en kobberkugle, der vejer 70 gram med skarpe torn på overfladen, uden at bryde, hvilket demonstrerer de ultra-høje sejhed og strukturelle styrke af 3D-printede produkter.

Anvendelse af 3D-printede elastomerer i bred målestok

Inden for sportstøj giver 3D-printede elastikker atleter mulighed for at få personlig, højtydende udstyr. For eksempel bruger tilpassede insole og beskyttelsesudstyr elastikkerens stødabsorberende og understøttende egenskaber til at optimere atleternes sportydeevne og forbedre bærekomforten. Især inden for ekstremesport og højbelastende sport kan 3D-printede elastikmateriale markant reducere belastningen på atleter under træning og beskytte deres led og muskler mod skader.

Inden for bilindustrien og luftfartsindustrien bruges 3D-printede elastikker til nøglekomponenter såsom lette stødabsorberende dele og tætninger. Disse dele kan reducere vægten og samtidig opretholde en høj ydelse gennem komplekse strukturelle design.

I elektronikbranchen kan produkter som smarte højtalere, smarte armbånd, mobiltelefonetskeder og andre produkter trykkes med elastomermaterialer. Disse produkter har ikke kun fremragende blødhed og elasticitet, men også høj slidstyrke og holdbarhed, hvilket kan imødekomme forbrugernes mangfoldige krav til produktets udseende og ydeevne.

Inden for industriproduktion anvendes 3D-printede elastomerteknologi til fremstilling af forskellige industrielle former, transportbånd og andre komponenter. Disse komponenter skal kunne modstå større mekanisk belastning og vibration, og elastomermaterialer er ideelle valg på grund af deres fremragende elasticitet og modstandsevne over for udmattelse. Fremstilling af disse komponenter gennem 3D-printteknologi kan ikke kun forbedre produktions-effektiviteten, men også reducere produktionsomkostningerne.

Ankomsten af 3D-printede elastomerteknologi har yderligere udvidet anvendelsesmulighederne for 3D-printede produkter og bragt mere farverige muligheder i vores liv.