Kínverskir vísindamenn hafa náð nýjum árangri í leysið á „iðnsvandamálunum“ í 3D prentunartækni!

Með því hröðu þróun vísinda og tækninnar í dag hefur 3D prenttækni dreifst um allar lífsviðni eins og sterkt austanverði. Frá flóðum og nákvæmum vélahlutmum til lífsemdra vöruhluta, frá spennandi byggingarfrumgerðum til persónulegra dagverða hefur 3D prenttækni með óendanlegt smáskiptni og nægilega sveigjanleika breytt hugmyndum í raunveruleika, gert lífið þægilegra en einnig komið okkur á óvart.

Hvernig 3D prenttækni virkar

3D prenttækni, einnig kölluð viðbætanda framleiðslutækni, er nýjungarmetodi sem byggir upp þrívíða hluti með því að hlaupa efni saman í lögum. Prönsin eru svipuð því að byggja steinhús og má einfaldlega útskýra sem „framleiðsla í lögum, hlaup í lögum.“

3D prentun ferlið er ekki flókið. Fyrst er búin til stafræn líkan eða fengin með því að nota hönnunartól (CAD), og svo er líkanin skorin í röð mjög þunna lóðrétt hluta (þ.e. skiptingar), og þykkt hverrar skiptingar er venjulega á bilinu milli tugs og hundraða mikrómetra. Síðan, byggt á þessari skiptingarupplýsingum, byggir 3D prentari hlutinn lokið lög fyrir lög með ákveðnum tækni og efnum.

3D prentun ferlið felur í sér smeltu niðursetningu líkan (FDM), ljósgreiningu 3D prentun (SLA, DLP, LCD), valdar ljósroseyðingu (SLS), valdar ljósmeltingu (SLM), stéreo blöðruprentun (3DP) og lag-fyrir-lag framleiðslu (LOM).

Fusjónarsetning (FDM) er ferli þar sem þræðlaga hitiþolandi efni eru hituð og brauð með gegnum dysja, sett á lag á palla og að lokum hröðnuð í þrívíða hlut. Þessi tækni notar oft hitiþolandi efni sem upphafsmaterial, svo sem acrylonitrile-butadiene-styrene samþætta efni (ABS), polylactic rými (PLA) o.fl. Hún hefur lágar kröfur til búnaðar og er auðveld í notkun, hentug fyrir einstaklinga og smáverstur. "Rettiknífurinn" og "sprettisverðurinn" sem hafa verið vinsæl í leikfangamarkaðnum nýlega eru gerðir á þennan hátt.

Stereolithography 3D prentun (SLA, DLP, LCD) notar ljós á ákveðnu bandi og lögun til að birta ljóssensitíva hars og ljóssensitívi hrart á lag á að búa til hluti í óskaðri lögun. Þessi tækni hefur háan nákvæmni í myndun og sléttan yfirborð og er hentug til að gera nákvæma líkön og smáhluti.

Valdar ljósariðgerð (SLS) notar ljósastrali til að skanna duftefni og brjóta þau saman, þar sem þau sameinast í mörgum lögum til að mynda þrívíðan hlut. Þessi tækni notar duft sem hráefni (eins og nílón, metall dúst, keramikduft o.s.frv.), hefur háa nákvæmni í myndun og er hentug fyrir framleiðslu á virkum hlutum með flókin byggingu.

Valdar ljósabrjöfnun (SLM) hefur hærri ljósaorku, svipað og valdar ljósariðgerð (SLS), og getur alveg brætt metall dúst til að ná í fljóta prófun á metallhlutum. Þessi tækni notar oft metall dúst (eins og títaníum legeringar, órústfrítt stál o.s.frv.) sem hráefni, getur prentað stálfasta og nákvæm metallhluti og er víða notuð í geimferða-, lækninga- og öðrum sviðum.

Stereo ritsýður prentun (3DP) notar klosnuð efni (málm eða ómálm) og límefni sem hráefni og notar samrunaaðferðina til að prenta hverja hlutalög fyrir sig. Litur prentuðu vörulaga er eins og raunverulegur hluturinn og þetta er í dag þekktasta litprentunartækni í 3D.

Lagaframleiðsla (LOM) notar þunnar efni (slíkt sem pappír, plöstufoleyð, o.fl.) og hitalímið efni sem hráefni og safnar saman hlutunum lag fyrir lag með ljósgeislaskurð og hitabindingu. Þessi tækni hefur hraða hröðun og lágan efna kostnað og er hægileg til að framleiða stórar byggingar og skeljar.

Þó að 3D prenttækni vörur hafi háan gráðu af endurheimt, eru þær takmarkaðar af prentunar á græjuefnum. 3D prentaðar vörur eru mjög brjálar og auðveldlega brotnar af ytri krafti. Þegar slíkar vörur eru notaðar í aðstæðum sem krefjast hárra afköstum á sérhæfðu sviði, virðast þær vera nokkuð "ófærar". Hvernig þá færa betur "glas hjarta" 3D prentaðra vara, svo þær hafi fallegt "hýsi" og "þreyju" sem er ekki auðvelt að brota?

3. júlí 2024 birtu kínverskir vísindamenn rannsóknarniðurstöður um 3D prentaða elastiða í tímaritinu Nature. Þar sem þessi tækni er notuð til að framleiða elastiða hægt er að neta þá upp í níu sinnum lengd þeirra sjálfra, og hámarks dragþol getur náð 94,6 MPa, sem jafngildir því að 1 fermetra getur tekið næstum 10 kg af þyngd, sem sýnir frábæra styrkleika og þol.

„Samræming“ á milli moldunarhraða og þolþenslu lokiðra vara

Við ljóshardæingar 3D prentun (SLA, DLP, LCD), þarf að auka framleiðslueffekt til að nálgast hraðvirkari myndun, sem leiðir til aukningar á þéttleika sameindakeðjunnar í efni og minnkunar á seigheit efnisins á hardæingarferlinu. Með hefðbundnum aðferðum, meðan seigheit efnisins eykst, eykst líka sýnilega súrefni efnisins, sem leiðir til minni súrefni og minni moldunarhraða. Mótsögnin á milli moldunarhraðans í 3D prentun og seigheit lokavoru hefur alltaf vantað alla branschann.

Kínverskir vísindamenn hafa „versnað“ þessar tvær mótsagnir. Rannsakendur settu fram stefnu um leikritsprentun og eftirvinnslu með því að greina upphaflega efni ljósfæn efni fyrir ljóshardandi 3D prentun og taka upp prentunaraðferðina. Rannsakendur hönnuðu DLP (stafræn ljófvinnsla) forsögu af dimethacrylate, sem inniheldur ákveðna hindraða úruretta og tvær karboxylhópa á rygginu. Í prentun og myndunarstigi eru þessir lykilkennslur í „sofandi“ ástandi og leika styrkleikarhlutverk í eftirvinnslustigi.

a. 3D prentaðir hlutir og stærðarbreytingar þeirra við eftirvinnslu; b. Móttækni 3D prentaðra bleðinga fyrir punkteringu; c. Módel fyrir tæmandi punkteringskraft; d-e. Próf á þyngdarþol 3D prentaðra loftgreifra. Mynd heimild: Tilvísun [1]

Í kjölfar vinnslu við 90°C skilja sig hindruðu úrúmamböndin í 3D prentuðum vörum og mynda isósyansýatgrúpur. Þessar grúpur mynda annars vegar amíðabönd við hliðarkettilsýruhópa efnavörunnar og hliðast hins vegar við vatn sem súrefnisýran hefur tekið upp til að mynda úrúmambönd. Breytingarnar á efnavöldum tengja einstaka netkerfið í efnavörunni í gegnumdrægilegt netkerfi sem líkist því að haldast í hendur, sem fer með fleiri vetnisbög og styrkir innra byggingu efnavöru. Nákvæmlega vegna þessara breytinga á innra byggingu efnavöru fá 3D prentaðar vörur stærra bil á milli þegar þær er áverkað af utanaflum, svipað og orkuneyðing við bílameiðslu, sem bætir áverkamotstöðu og brotþol vöru og gefur hærra viðnám.

Úr reynsluverkefnum kemur í ljós að filmið sem var framleitt með 3D prentun með DLP undirbæri og er aðeins 0,8 mm þykk hefur mjög sterka móttæmi gegn punkteringu og getur þarfnast þrýstingi á 74,4 Newton án þess að brjótast. Jafnvel undir þrýstingi í hárri þrýstingsskilyrðum getur 3D prentaður loftþrýstingur náð bolti af kopri sem er 70 grömm að þyngd með ostur á yfirborðinu án þess að brjótast, sem sýnir yfiröræði hárðleika og gerðarstyrkur 3D prentaðra vara.

Víðtækur notkun á 3D prentuðum elasti

Í sviði íþróttatækja veita 3D prentuð elastiður íþróttamönnum persónulegar og háþróaðar tækjur. Til dæmis nýtja sérsniðnar innleggju og verndarbúnaður skokktæmingar- og stuðningseiginleika elastiða til að hámarka árangur íþróttamanna og bæta við þátttökuþátt. Sérstaklega í extreme íþróttum og háþróaðum árekstursíþróttum geta 3D prentuð elastiður efni markað gerð minnka árekstur á íþróttamenn á meðan þeir æfa og vernda liði og vöðva þeirra frá meiðslum.

Í bíl- og loftfarasviðinu eru 3D prentuð elastiður notuð fyrir lykiltækar hluti eins og léttvigtar skokktæmar hluta og þéttir. Hægt er að minnka þyngd hlutanna og viðhalda háum afköstum með flóknum hönnunum á byggingarhlutum.

Á sviði rauntækja má prenta fjölbreytt vörur eins og röskurnar, handbóka og farsímaföng með elasti. Þessar vörur eru ekki aðeins mjög blautar og sveigjanlegar, heldur eru þær einnig mjög álagsþolnar og varanlegar, svo þær geta uppfyllt ýmsar kröfur sem notendur hafa til útlits og afköstum vöranna.

Á sviði iðnaðarframleiðslu er notuð 3D prentunartækni til framleiðslu ýmissa iðnæfra sjálfstæðra molda og flutningurbanda og aðra hluta. Þessir hlutar þurfa að standa mikla vélarþrýsting og virkni og eru elasti efni ágætt val á grundvelli þeirra mjög góðu sveigjanleika og þolendaskap. Með því að framleiða þessa hluta með 3D prentunartækni er hægt ekki aðeins að bæta framleiðsluefni, heldur einnig að lækka framleiðslukostnað.

Komið á 3D prentunarelasti hefur enn frekar víkkað notkunarsvið 3D prentunaraðferða og borið heim betri möguleika í lífi okkar.