Gli scienziati cinesi hanno fatto una nuova svolta nel risolvere i "problemi industriali" della tecnologia di stampa 3D!

Con lo sviluppo rapido della scienza e della tecnologia di oggi, la tecnologia di stampa 3D si è diffusa in tutti i settori come un forte vento di primavera. Da componenti meccanici complessi e precisi a modelli di prodotti realistici, da prototipi architettonici fantastici a oggetti per l'uso quotidiano personalizzati, la tecnologia di stampa 3D, con la sua creatività infinita e flessibilità sufficiente, ha trasformato l'immaginazione in realtà, rendendo la vita delle persone più comoda mentre ci sorprende.

Principio di funzionamento della tecnologia di stampa 3D

La tecnologia di stampa 3D, nota anche come tecnologia di produzione additiva, è un metodo di produzione innovativo che costruisce oggetti tridimensionali sovrapponendo materiali strato dopo strato. Il suo principio è simile a quello della costruzione di una casa in mattoni, che può essere riassunto semplicemente come "produzione stratificata, sovrapposizione strato su strato".

Il processo di stampa 3D non è complicato. Innanzitutto, si crea o si ottiene un modello digitale tramite software di progettazione assistita da computer, quindi il modello viene tagliato in una serie di strati trasversali molto sottili (ovvero fette), e lo spessore di ogni fetta è generalmente compreso tra decine e centinaia di micron. Successivamente, sulla base di queste informazioni delle fette, la stampante 3D costruisce l'oggetto finale strato dopo strato utilizzando tecnologie e materiali specifici.

I processi di stampa 3D includono la modellazione per deposizione fusa (FDM), la stereolitografia fotocatalizzata (SLA, DLP, LCD), la sintesi selettiva a laser (SLS), la fusione selettiva a laser (SLM), la stampa stereo a getto d'inchiostro (3DP) e la produzione strato su strato (LOM).

La modellazione per deposizione fusa (FDM) è un processo in cui materiali termoplastici filiformi vengono riscaldati e fusi attraverso una cannula, depositati strato su strato su una piattaforma e infine solidificati in un oggetto tridimensionale. Questa tecnologia utilizza spesso materiali termoplastici come materie prime, come il copolimero di acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS), l'acido polilattico (PLA), ecc. Ha requisiti di attrezzatura bassi ed è facile da usare, adatto per singoli individui e piccoli studi. Le "spade telescopiche" e i "coltelli di rapa" che sono stati recentemente popolari nel mercato dei giocattoli vengono realizzati in questo modo.

La stampa 3D stereolitografica (SLA, DLP, LCD) utilizza luce di una banda e forma specifiche per irradiare resina fotosensibile, e la resina viene solidificata strato dopo strato per generare oggetti della forma desiderata. Questa tecnologia ha una precisione di modellazione elevata e una superficie liscia, ed è adatta per la realizzazione di modelli dettagliati e piccole parti.

La fusione selettiva a laser (SLS) utilizza un fascio laser per scandire materiali in polvere, fondendoli e legandoli insieme strato dopo strato fino a formare un oggetto tridimensionale. Questa tecnologia utilizza la polvere come materiale grezzo (ad esempio nylon, polvere metallica, polvere ceramica, ecc.), offre una precisione di modellazione elevata e si adatta alla produzione di componenti funzionali con strutture complesse.

La fusione selettiva a laser (SLM) ha un'energia laser più elevata, simile alla fusione selettiva a laser (SLS), ma può fondere completamente la polvere metallica per realizzare prototipi rapidi di componenti metallici. Questa tecnologia utilizza spesso polvere metallica (come leghe di titanio, acciaio inossidabile, ecc.) come materiale grezzo, permette di stampare componenti metallici di alta resistenza e precisione ed è ampiamente utilizzata nei settori aerospaziale, medico e altri.

La stampa stereo inket (3DP) utilizza materiali in polvere (metallo o non metallo) e collanti come materie prime, e realizza la stampa di ogni strato attraverso il meccanismo di legatura. Le campionature modellate di questa tecnologia di stampa hanno lo stesso colore del prodotto reale, ed è attualmente una delle tecnologie di stampa 3D a colori più mature.

La fabbricazione ad oggetti stratificati (LOM) utilizza materiali in fogli sottili (come carta, pellicole plastiche, ecc.) e collante a fusione calda come materie prime, accumulando gli oggetti richiesti strato dopo strato tramite taglio laser e legatura termica. Questa tecnologia ha una velocità di modellazione rapida e un costo dei materiali basso, ed è adatta per la realizzazione di grandi strutture e gusci.

Sebbene il prodotto della tecnologia di stampa 3D abbia un alto grado di restaurazione, è limitato dai materiali di stampa. I prodotti stampati in 3D sono molto fragili e si rompono facilmente a causa di forze esterne. Quando tali prodotti vengono utilizzati in scenari con elevate richieste di prestazioni meccaniche, appaiono "insufficienti". Quindi, come migliorare il "cuore di vetro" dei prodotti stampati in 3D, in modo che abbiano un "aspetto" attraente e una "flessibilità" difficile da rompere?

Il 3 luglio 2024, scienziati cinesi hanno pubblicato un risultato di ricerca su elastomeri stampati in 3D sulla rivista Nature. Le molle elastiche preparate utilizzando questa tecnologia possono essere allungate fino a 9 volte la loro lunghezza originale, e la resistenza alla trazione massima può raggiungere 94,6 MPa, equivalente a circa 1 millimetro quadrato in grado di reggere quasi 10 chilogrammi di gravità, dimostrando una super alta resistenza e tenacità.

«Riconciliazione» tra velocità di formatura e tenacità dei prodotti finiti

Nel processo di fotocurazione della stampa 3D (SLA, DLP, LCD), migliorare l'efficienza produttiva richiede una velocità di modellazione più rapida, il che porta a un aumento della densità di incrocio del materiale e a una riduzione della tenacità del materiale durante il processo di cura. Con i metodi convenzionali, mentre aumenta la tenacità del materiale, aumenta anche la viscosità, il che provoca una riduzione della fluidità e una diminuzione della velocità di modellazione. Il contrasto tra la velocità di modellazione della stampa 3D e la tenacità del prodotto finito ha sempre disturbato l'intera industria.

Gli scienziati cinesi hanno "conciliato" queste due contraddizioni. I ricercatori hanno proposto una strategia per la stampa a fasi e il successivo post-processamento analizzando la resina fotosensibile di base del 3D printing fotocurabile e smontando il processo di stampa. I ricercatori hanno progettato un precursore DLP (digital light processing) di dimetacrilato, che contiene un legame di urea dinamicamente ostacolato e due gruppi carbossilici sulla catena principale. Durante la fase di stampa e modellazione, questi componenti chiave si trovano in uno stato "latente" e svolgono un ruolo di rinforzo durante la fase di post-elaborazione.

a. Oggetti 3D stampati e le loro variazioni dimensionali durante il post-processamento; b. Prestazioni antiforatura dei palloncini 3D stampati; c. Modellazione della forza di perforazione meccanica; d-e. Test di sollevamento di peso del braccio pneumatico 3D stampato. Fonte dell'immagine: Riferimento [1]

Durante la fase di post-elaborazione a 90°C, i legami di urea ostacolati nei prodotti stampati in 3D si dissociano per generare gruppi isocianato, che da un lato formano legami amide con i gruppi carbossilici della catena laterale, e dall'altro reagiscono con l'acqua assorbita dagli acidi carbossilici per formare legami di urea. I cambiamenti nei legami chimici all'interno delle molecole connettono la struttura monoreticolare del materiale in una struttura a rete interpenetrante simile a "mano nella mano", portando a più legami idrogeno e rafforzando la struttura interna del materiale. Proprio a causa dei cambiamenti nella struttura interna del materiale, i prodotti stampati in 3D hanno uno spazio di smorzamento più ampio quando vengono deformati dalle forze esterne, simile all'effetto di assorbimento dell'energia in caso di collisione veicolare, il che migliora la resistenza all'impatto e alla frattura del prodotto, conferendo una maggiore tenuta.

I risultati sperimentali mostrano che il film preparato tramite stampa 3D utilizzando un precursore DLP con uno spessore di soli 0,8 mm presenta un'estremamente elevata resistenza alla perforazione, permettendogli di sopportare una forza di 74,4 Newton senza rompersi. Anche sotto condizioni di gonfiaggio ad alta pressione, la presa pneumatica stampata in 3D riesce a afferrare una palla di rame pesante 70 grammi con spuntoni affilati sulla superficie senza rompersi, dimostrando l'ultra alta tenacità e la forte resistenza strutturale dei prodotti stampati in 3D.

Ampla applicazione degli elastomeri stampati in 3D

Nel campo dell'attrezzatura sportiva, gli elastomeri stampati in 3D forniscono agli atleti attrezzature personalizzate ad alte prestazioni. Ad esempio, paraocchi e attrezzature protettive su misura utilizzano le proprietà di assorbimento degli urti e di supporto degli elastomeri per ottimizzare le prestazioni sportive degli atleti e migliorare l'esperienza di uso. In particolare, nei sport estremi e a forte impatto, i materiali elastomeri stampati in 3D possono ridurre significativamente l'impatto sugli atleti durante l'esercizio fisico e proteggere le loro articolazioni e muscoli dalle lesioni.

Nel settore automobilistico e aerospaziale, gli elastomeri stampati in 3D vengono utilizzati per componenti chiave come parti leggere assorbenti di urto e sigillanti. Questi componenti possono ridurre il peso e mantenere un alto livello di prestazioni attraverso progetti strutturali complessi.

Nel campo dei prodotti elettronici, è possibile stampare con materiali elastomeri prodotti come altoparlanti intelligenti, bracciali intelligenti, custodie per telefoni cellulari e altri. Questi prodotti non solo hanno un'eccellente morbidezza ed elasticità, ma anche una alta resistenza all'usura e durabilità, che possono soddisfare le esigenze multifaccettate dei consumatori in termini di aspetto e prestazioni del prodotto.

Nel campo della manifattura industriale, la tecnologia di stampa 3D con materiali elastomeri viene utilizzata per produrre varie parti industriali come stampi e cinghie trasmissibili. Queste componenti devono sopportare maggiori stress meccanici e vibrazioni, e i materiali elastomeri sono scelte ideali grazie alla loro eccellente elasticità e resistenza alla fatica. La produzione di queste parti tramite la tecnologia di stampa 3D può non solo migliorare l'efficienza della produzione, ma anche ridurre i costi di produzione.

L'arrivo della tecnologia di stampa 3D con materiali elastomeri ha ulteriormente espanso gli scenari di utilizzo dei prodotti di stampa 3D, portando più colori e possibilità nella nostra vita.