Κινέζοι επιστήμονες έχουν κάνει μια νέα διάσημη διάκριση στην επίλυση των «βιομηχανικών προβλημάτων» της τεχνολογίας 3D εκτύπωσης!

Με την ταχεία εξέλιξη της επιστήμης και της τεχνολογίας σήμερα, η τεχνολογία των 3D εκτυπώσεων έχει διαδοθεί σε όλους τους τομείς της οικονομίας σαν ένας δυνατός ανατολικός άνεμος. Από πολύπλοκα και ακριβή μηχανικά εξαρτήματα ως πραγματιστικά μοντέλα προϊόντων, από φανταστικά πρωτότυπα αρχιτεκτονικής ως προσωποποιημένα καθημερινά αντικείμενα, η τεχνολογία των 3D εκτυπώσεων, με την ατελείωτη δημιουργικότητα και την επαρκή ευελιξία της, έχει μετατρέψει τη φαντασία σε πραγματικότητα, κάνοντας τη ζωή των ανθρώπων πιο εύκολη, ενώ μας φέρνει και εκπλήξεις.

Αρχή λειτουργίας της τεχνολογίας 3D εκτύπωσης

η τεχνολογία 3D εκτύπωσης, επίσης γνωστή ως τεχνολογία προσθετικής κατασκευής, είναι μια καινοτόμος μέθοδος παραγωγής που δημιουργεί τρισδιάστατα αντικείμενα με την επικάλυψη υλικών σε στρώσεις. Η αρχή της είναι παρόμοια με αυτή της κατασκευής μιας πέτρινης πολυκατοικίας και μπορεί να περιγραφεί απλά ως «κατασκευή σε στρώσεις, επικάλυψη στρώσης πάνω σε στρώση».

Η διαδικασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης δεν είναι περίπλοκη. Αρχικά, δημιουργείται ή εξασφαλίζεται ένα ψηφιακό μοντέλο μέσω λογισμικού σχεδίασης με τη βοήθεια υπολογιστή, και στη συνέχεια το μοντέλο χωρίζεται σε μια σειρά πολύ λεπτές διατομικές στιβάδες (δηλαδή φέτες), όπου το πάχος κάθε φέτας είναι συνήθως μεταξύ δεκάδων μικρομέτρων και εκατοντάδων μικρομέτρων. Στη συνέχεια, με βάση τις πληροφορίες αυτές των φετών, η τρισδιάστατη εκτυπωτική μηχανή κατασκευάζει το τελικό αντικείμενο στρώμα-στρώμα με συγκεκριμένη τεχνολογία και υλικά.

οι διαδικασίες τρισδιάστατης εκτύπωσης περιλαμβάνουν μοντελοποίηση διαδοχικής εναπόθεσης τήξης (FDM), τρισδιάστατη εκτύπωση φωτοστερεολιθογραφίας (SLA, DLP, LCD), επιλεκτική συμπύκνωση με λέιζερ (SLS), επιλεκτική τήξη με λέιζερ (SLM), στερεοσκοπική εκτύπωση με βελόνι (3DP) και κατασκευή στρώση-στρώση (LOM).

Η μοντελοποίηση με εξαχνωμένη ίνα (FDM) είναι μια διαδικασία κατά την οποία θερμοπλαστικά υλικά σε μορφή νήματος θερμαίνονται και λιώνουν μέσα από ένα ακροφύσιο, τοποθετούνται στρώμα-στρώμα σε μια πλατφόρμα και τελικά στερεοποιούνται σε ένα τρισδιάστατο αντικείμενο. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί συχνά θερμοπλαστικά υλικά ως πρώτες ύλες, όπως ακρυλονιτρίλιο-βουταδιένιο-στυρόλιο (ABS), πολυγαλακτικό οξύ (PLA) κ.ά. Έχει χαμηλές απαιτήσεις σε εξοπλισμό και είναι εύκολη στη χρήση, κατάλληλη για ιδιώτες και μικρά στούντιο. Το "ραπανάκι" και το "τηλεσκοπικό σπαθί" που έχουν γίνει πρόσφατα δημοφιλή στην αγορά των παιχνιδιών κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση με στερεολιθογραφία (SLA, DLP, LCD) χρησιμοποιεί φως συγκεκριμένης περιοχής και σχήματος για να επιδράσει σε φωτοευαίσθητη ρητίνη, η οποία πήζει στρώμα-στρώμα και δημιουργεί αντικείμενα του επιθυμητού σχήματος. Η τεχνολογία αυτή έχει υψηλή ακρίβεια στη διαμόρφωση και λεία επιφάνεια, και είναι κατάλληλη για την κατασκευή λεπτών μοντέλων και μικρών εξαρτημάτων.

Η επιλεκτική λέιζερ συμπύκνωση (SLS) χρησιμοποιεί μια δέσμη λέιζερ για να σαρώσει σε σκόνες υλικών και να τις τήξει και να τις ενώσει μεταξύ τους, δημιουργώντας στρώμα μετά στρώμα ένα τρισδιάστατο αντικείμενο. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί σκόνη ως πρώτη ύλη (όπως νάιλον, μεταλλική σκόνη, σκόνη κεραμικών, κ.λπ.), έχει υψηλή ακρίβεια μορφοποίησης και είναι κατάλληλη για την κατασκευή λειτουργικών εξαρτημάτων με πολύπλοκες δομές.

Η επιλεκτική λέιζερ τήξη (SLM) διαθέτει υψηλότερη ενέργεια λέιζερ, παρόμοια με την επιλεκτική λέιζερ συμπύκνωση (SLS), και μπορεί να τήξει πλήρως τη μεταλλική σκόνη για να επιτύχει γρήγορη πρωτοτυποποίηση μεταλλικών εξαρτημάτων. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί συχνά μεταλλική σκόνη (όπως κράματα τιτανίου, ανοξείδωτο χάλυβα, κ.λπ.) ως πρώτη ύλη, μπορεί να εκτυπώσει μεταλλικά εξαρτήματα υψηλής αντοχής και ακρίβειας και χρησιμοποιείται ευρέως στους τομείς της αεροναυπηγικής, της ιατρικής και άλλους.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση με στερεοφωνική ψεκαστική διαδικασία (3DP) χρησιμοποιεί σε σκόνη μεταλλικά ή μη υλικά και κόλλες ως πρώτες ύλες και εκτυπώνει τα εξαρτήματα στρώμα-στρώμα με μηχανισμό δέσμευσης. Τα εκτυπωμένα δείγματα αυτής της τεχνολογίας έχουν το ίδιο χρώμα με το πραγματικό προϊόν και είναι προς το παρόν πιο ώριμη τεχνολογία χρωματικής τρισδιάστατης εκτύπωσης.

Η τεχνολογία κατασκευής με επιστρωμάτωση (LOM) χρησιμοποιεί ως πρώτες ύλες λεπτά υλικά σε φύλλα (όπως χαρτί, πλαστικές μεμβράνες κ.λπ.) και θερμοκολλητικές κόλλες, ενώ δημιουργεί τα επιθυμητά αντικείμενα στρώμα-στρώμα μέσω λέιζερ κοπής και θερμικής σύνδεσης. Η τεχνολογία αυτή διαθέτει γρήγορη ταχύτητα διαμόρφωσης και χαμηλό κόστος υλικού, ενώ είναι κατάλληλη για την κατασκευή μεγάλων δομών και περιβλημάτων.

Παρότι το προϊόν της τεχνολογίας εκτύπωσης 3D παρουσιάζει υψηλό βαθμό αποκατάστασης, περιορίζεται από τα υλικά εκτύπωσης. Τα προϊόντα 3D εκτύπωσης είναι εξαιρετικά εύθραυστα και σπάνε εύκολα λόγω εξωτερικών δυνάμεων. Όταν τέτοια προϊόντα χρησιμοποιούνται σε σενάρια με υψηλές απαιτήσεις μηχανικής απόδοσης, φαίνεται να είναι αρκετά "ανίκανα". Έτσι, πώς μπορεί να βελτιωθεί η "γυάλινη καρδιά" των προϊόντων 3D εκτύπωσης, ώστε να έχουν όχι μόνο όμορφο "δέρμα", αλλά και "ευελιξία" που δεν σπάει εύκολα;

Στις 3 Ιουλίου 2024, Κινέζοι επιστήμονες δημοσίευσαν στο περιοδικό Nature ένα ερευνητικό αποτέλεσμα σχετικά με τα ελαστικά υλικά 3D εκτύπωσης. Τα λάστιχα που παρασκευάστηκαν με αυτήν την τεχνολογία μπορούν να τεντωθούν μέχρι 9 φορές το μήκος τους, ενώ η μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό μπορεί να φτάσει τα 94,6 MPa, που σημαίνει πως ένα τετραγωνικό χιλιοστόμετρο μπορεί να αντέξει σχεδόν 10 χιλιόγραμμα βάρος, δείχνοντας υπερβολικά υψηλή αντοχή και σθένος.

"Συμβιβασμός" μεταξύ ταχύτητας διαμόρφωσης και σθένους των τελικών προϊόντων

Στη διαδικασία της φωτοστερεοποίησης σε 3D εκτύπωση (SLA, DLP, LCD), η βελτίωση της απόδοσης παραγωγής απαιτεί μεγαλύτερη ταχύτητα μορφοποίησης, κάτι που οδηγεί σε αύξηση της πυκνότητας διασύνδεσης του υλικού και μείωση της τσαλακωτικότητας (toughness) του υλικού κατά τη διάρκεια της διαδικασίας στερεοποίησης. Με τις συμβατικές μεθόδους, ενώ η τσαλακωτικότητα (toughness) του υλικού αυξάνεται, θα αυξηθεί επίσης και η συνοχή (viscosity) του υλικού, κάτι που θα οδηγήσει σε μείωση της ρευστότητας και σε μείωση της ταχύτητας μορφοποίησης. Η αντίφαση μεταξύ της ταχύτητας μορφοποίησης στην 3D εκτύπωση και της τσαλακωτικότητας (toughness) του τελικού προϊόντος έχει αποτελέσει πάντα αντικείμενο ανησυχίας για ολόκληρη τη βιομηχανία.

Οι κινέζοι επιστήμονες κατάφεραν να "συμβιβάσουν" αυτές τις δύο αντιφάσεις. Οι ερευνητές πρότειναν μια στρατηγική για διαδοχική εκτύπωση και μεταποίηση, αναλύοντας την αρχική φωτοευαίσθητη ρητίνη της φωτοσκληραίνουσας εκτύπωσης 3D και αποσυναρμολογώντας τη διαδικασία εκτύπωσης. Οι ερευνητές σχεδίασαν έναν πρόδρομο DLP (ψηφιακής φωτοπροβολής) διμεθακρυλικού, ο οποίος περιέχει ένα δυναμικά δεσμευμένο ουρίας δεσμό και δύο καρβοξυλικές ομάδες στην κύρια αλυσίδα. Κατά τη διάρκεια της φάσης εκτύπωσης και διαμόρφωσης, αυτά τα βασικά συστατικά βρίσκονται σε κατάσταση "ύπνωσης" και επιτελούν ρόλο ενίσχυσης στη μεταγενέστερη φάση μεταποίησης.

a. Αντικείμενα εκτυπωμένα σε 3D και οι διαστασιακές τους μεταβολές κατά τη διάρκεια της μεταποίησης. b. Αντοχή σε τρυπήματα των μπαλονιών εκτυπωμένων σε 3D. c. Μοντελοποίηση της μηχανικής δύναμης τρυπήματος. d-e. Δοκιμή ανύψωσης βάρους από πνευματική πιάστρα εκτυπωμένη σε 3D. Πηγή εικόνας: Βιβλιογραφική [1]

Κατά την επεξεργασία μετά την εκτύπωση στους 90°C, οι δεσμοί της περιορισμένης ουρίας στα προϊόντα που εκτυπώνονται σε 3D διασπώνται για να δημιουργήσουν ομάδες ισοκυανικών, οι οποίες αφενός σχηματίζουν αμιδικούς δεσμούς με τις καρβοξυλομάδες της πλευρικής αλυσίδας, αφετέρου αντιδρούν με το νερό που απορροφάται από τον καρβοξυλικό οξύ για να σχηματίσουν δεσμούς ουρίας. Οι αλλαγές στους χημικούς δεσμούς μέσα στα μόρια συνδέουν την απλή δομή δικτύου στο υλικό σε μια διαπερατή δομή δικτύου που μοιάζει με "χέρι-χέρι", φέρνοντας περισσότερους δεσμούς υδρογόνου και ενισχύοντας την εσωτερική δομή του υλικού. Είναι ακριβώς λόγω των αλλαγών στην εσωτερική δομή του υλικού που τα προϊόντα 3D εκτύπωσης έχουν μεγαλύτερο χώρο απόσβεσης όταν παραμορφώνονται από εξωτερικές δυνάμεις, παρόμοια με το φαινόμενο απορρόφησης ενέργειας σύγκρουσης οχήματος, βελτιώνοντας την αντοχή του προϊόντος σε κρούση και θραύση και έχοντας μεγαλύτερη επιμονή.

Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι το φιλμ που παρασκευάστηκε με τη χρήση πρόδρομης ρητίνης DLP με πάχος μόλις 0,8 mm εμφανίζει εξαιρετικά ισχυρή αντοχή στη διάτρηση, επιτρέποντας να αντέχει δύναμη 74,4 Newtons χωρίς να σπάσει. Ακόμη και σε συνθήκες υψηλής πίεσης, η πνευματική γραβάτα εκτυπωμένη σε 3D μπορεί να αρπάξει μια χάλκινη μπάλα βάρους 70 γραμμαρίων με αιχμηρές αγκαθιές στην επιφάνεια, χωρίς να σπάσει, γεγονός που αποδεικνύει την υπερυψηλή του θραυστική θωράκιση και δομική αντοχή των προϊόντων που εκτυπώνονται σε 3D.

Ευρεία εφαρμογή ελαστομερών που εκτυπώνονται σε 3D

Στον τομέα του αθλητικού εξοπλισμού, τα 3D εκτυπωμένα ελαστικά υλικά παρέχουν στους αθλητές προσαρμοσμένο εξοπλισμό υψηλής απόδοσης. Για παράδειγμα, οι προσαρμοστικές σόλες και ο προστατευτικός εξοπλισμός χρησιμοποιούν τις ιδιότητες απόσβεσης κραδασμών και υποστήριξης των ελαστικών υλικών για να βελτιστοποιήσουν την αθλητική απόδοση και να ενισχύσουν την εμπειρία φορέματος. Ιδιαίτερα στα άκρα αθλήματα και στα αθλήματα υψηλής επαφής, τα 3D εκτυπωμένα ελαστικά υλικά μπορούν να μειώσουν σημαντικά την επίδραση στους αθλητές κατά τη διάρκεια της άσκησης και να προστατεύουν τις αρθρώσεις και τους μυς από τραυματισμούς.

Στους τομείς της αυτοκινητοβιομηχανίας και της αεροναυπηγικής, τα 3D εκτυπωμένα ελαστικά υλικά χρησιμοποιούνται για σημαντικά εξαρτήματα, όπως ελαφριές μονάδες απόσβεσης κραδασμών και στεγανοποιήσεις. Τα εξαρτήματα αυτά μπορούν να μειώσουν το βάρος και να διατηρήσουν υψηλή απόδοση μέσω πολύπλοκων δομικών σχεδιασμών.

Στον τομέα των ηλεκτρονικών προϊόντων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ελαστικά υλικά για την εκτύπωση έξυπνων ηχείων, έξυπνων βραχιονιών, θηκών κινητών τηλεφώνων και άλλων προϊόντων. Τα προϊόντα αυτά διαθέτουν όχι μόνο εξαιρετική μαλακότητα και ελαστικότητα, αλλά παρουσιάζουν επίσης υψηλή αντοχή στη φθορά και διάρκεια, καθιστώντας δυνατή την ικανοποίηση των πολυσύνθετων αναγκών των καταναλωτών όσον αφορά στην εμφάνιση και τις επιδόσεις των προϊόντων.

Στον τομέα της βιομηχανικής παραγωγής, η τεχνολογία 3D εκτύπωσης ελαστικών χρησιμοποιείται για την κατασκευή διαφόρων βιομηχανικών καλουπιών, ιμάντων μετάδοσης και άλλων εξαρτημάτων. Τα εξαρτήματα αυτά πρέπει να αντέχουν σε μεγαλύτερη μηχανική τάση και ταλαντώσεις, και τα ελαστικά υλικά αποτελούν ιδανική επιλογή λόγω της εξαιρετικής τους ελαστικότητας και αντοχής στην κόπωση. Η κατασκευή αυτών των εξαρτημάτων μέσω της τεχνολογίας 3D εκτύπωσης μπορεί να βελτιώσει όχι μόνο την παραγωγική απόδοση, αλλά και να μειώσει το κόστος παραγωγής.

Η εμφάνιση της τεχνολογίας 3D εκτύπωσης ελαστικών έχει περαιτέρω επέκταση τις περιπτώσεις χρήσης των προϊόντων 3D εκτύπωσης και φέρνει πιο ποικίλες δυνατότητες στις ζωές μας.