Gli scienziati cinesi hanno fatto un nuovo passo avanti nella risoluzione dei "problemi industriali" della tecnologia di stampa 3D!

Con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia di oggi, la tecnologia di stampa 3D si è diffusa in tutti i ceti sociali come un forte vento dell'est. Dalle parti meccaniche complesse e precise ai modelli di prodotti realistici, dai fantastici prototipi architettonici alle necessità quotidiane personalizzate, la tecnologia di stampa 3D, con la sua infinita creatività e sufficiente flessibilità, ha trasformato l'immaginazione in realtà, rendendo la vita delle persone più comoda e portandoci anche sorprese.

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 crea entità tridimensionali impilando i materiali strato per strato. Il suo principio è simile a quello della costruzione di una casa in mattoni, che può essere semplicemente riassunto come "produzione a strati, impilamento strato per strato".

Il processo di stampa 3D non è complicato. In primo luogo, viene creato o ottenuto un modello digitale tramite un software di progettazione assistita da computer, quindi il modello viene tagliato in una serie di strati di sezione trasversale molto sottili (cioè fette) e lo spessore di ciascuna fetta è solitamente compreso tra decine di micron e centinaia di micron. Quindi, sulla base di queste informazioni sulla fetta, la stampante 3D costruisce l'oggetto finale strato per strato attraverso tecnologie e materiali specifici.

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

La modellazione a deposizione fusa (FDM) è un processo in cui i materiali termoplastici filamentosi vengono riscaldati e fusi attraverso un ugello, depositati strato dopo strato su una piattaforma e infine solidificati in un oggetto tridimensionale. Questa tecnologia utilizza spesso materiali termoplastici come materie prime, come il copolimero acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS), l'acido polilattico (PLA), ecc. Ha bassi requisiti di attrezzatura ed è facile da usare, adatto a singoli e piccoli studi. Il "coltello ravanello" e la "spada telescopica" che sono stati popolari nel mercato dei giocattoli di recente sono realizzati in questo modo.

La stampa 3D STEREOLITOGRAFICA (SLA, DLP, LCD) utilizza la luce di una banda e di una forma specifiche per irradiare la resina fotosensibile e la resina fotosensibile viene polimerizzata strato per strato per generare oggetti della forma desiderata. Questa tecnologia ha un'elevata precisione di stampaggio e una superficie liscia ed è adatta per realizzare modelli di precisione e piccole parti.

La sinterizzazione laser selettiva (SLS) utilizza un raggio laser per scansionare i materiali in polvere per fonderli e legarli insieme, accumulandosi strato dopo strato in un oggetto tridimensionale. Questa tecnologia utilizza la polvere come materia prima (come nylon, polvere metallica, polvere ceramica, ecc.), ha un'elevata precisione di stampaggio ed è adatta per la produzione di parti funzionali con strutture complesse.

La fusione laser selettiva (SLM) ha un'energia laser più elevata, simile alla sinterizzazione laser selettiva (SLS), e può fondere completamente la polvere metallica per ottenere una prototipazione rapida di parti metalliche. Questa tecnologia utilizza spesso polvere metallica (come lega di titanio, acciaio inossidabile, ecc.) come materie prime, può stampare parti metalliche ad alta resistenza e alta precisione ed è ampiamente utilizzata nei settori aerospaziale, medico e di altro tipo.

La stampa a getto d'inchiostro stereo (3DP) utilizza materiali in polvere (metallici o non metallici) e adesivi come materie prime e utilizza il meccanismo di incollaggio per stampare ogni componente strato per strato. I campioni stampati di questa tecnologia di stampa hanno lo stesso colore del prodotto reale ed è attualmente una tecnologia di stampa 3D a colori più matura.

La produzione di oggetti laminati (LOM) utilizza materiali in fogli sottili (come carta, film plastico, ecc.) e adesivo hot melt come materie prime e accumula gli oggetti richiesti strato per strato attraverso il taglio laser e l'incollaggio termico. Questa tecnologia ha una velocità di stampaggio elevata e un basso costo del materiale ed è adatta per realizzare strutture e gusci di grandi dimensioni.

Sebbene il prodotto con tecnologia di stampa 3D abbia un alto grado di restauro, è limitato dalle materie prime di stampa. I prodotti stampati in 3D sono altamente fragili e si rompono facilmente a causa di forze esterne. Quando tali prodotti vengono utilizzati in scenari con elevati requisiti di prestazioni meccaniche, sembreranno in qualche modo "incapaci". Quindi, come migliorare il "cuore di vetro" dei prodotti stampati in 3D, in modo che abbiano una "pelle" bella e una "flessibilità" che non sia facile da rompere?

Il 3 luglio 2024, gli scienziati cinesi hanno pubblicato un risultato di ricerca sugli elastomeri stampati in 3D sulla rivista Nature. Gli elastici preparati utilizzando questa tecnologia possono essere allungati fino a 9 volte la propria lunghezza e la resistenza alla trazione massima può raggiungere i 94,6 MPa, che equivale a 1 millimetro quadrato in grado di resistere a quasi 10 chilogrammi di gravità, mostrando un'altissima resistenza e tenacità.

"Riconciliazione" tra velocità di stampaggio e tenacità dei prodotti finiti

Nel processo di fotopolimerizzazione della stampa 3D (SLA, DLP, LCD), il miglioramento dell'efficienza produttiva richiede una maggiore velocità di stampaggio, che porta ad un aumento della densità di reticolazione del materiale e ad una diminuzione della tenacità del materiale durante il processo di polimerizzazione. Con i metodi convenzionali, mentre la tenacità del materiale aumenta, aumenterà anche la viscosità del materiale, il che porterà a una diminuzione della fluidità e a una diminuzione della velocità di stampaggio. La contraddizione tra la velocità di stampaggio della stampa 3D e la robustezza del prodotto finito ha sempre turbato l'intero settore.

Gli scienziati cinesi hanno "riconciliato" queste due contraddizioni. I ricercatori hanno proposto una strategia per la stampa graduale e la post-elaborazione analizzando la resina fotosensibile della resina fotopolimerizzante della stampa 3D fotopolimerizzante e smontando il processo di stampa. I ricercatori hanno progettato un precursore DLP (digital light processing) del dimetacrilato, che contiene un legame ureico ostacolato dinamicamente e due gruppi carbossilici sulla catena principale. Durante la fase di stampa e stampaggio, questi componenti chiave si trovano in uno stato "dormiente" e svolgono un ruolo di indurimento nella fase di lavorazione post-stampaggio.

a. 3D gli oggetti stampati e le loro modifiche dimensionali durante la post-elaborazione; b. Prestazioni anti-perforazione di palloncini stampati in 3D; c. Modellazione della forza meccanica di puntura; D-E. Test di sollevamento pesi della pinza pneumatica stampata in 3D. Fonte immagine: Riferimento [1]

Durante la fase di post-elaborazione a 90°C, i legami ureici ostacolati nei prodotti stampati in 3D si dissociano per generare gruppi isocianati, che da un lato formano legami ammidici con i gruppi carbossilici della catena laterale, e dall'altro reagiscono con l'acqua adsorbita dall'acido carbossilico per formare legami ureici. I cambiamenti nei legami chimici all'interno delle molecole collegano la singola struttura di rete nel materiale in una struttura di rete compenetrante simile a "mano nella mano", portando più legami idrogeno e rafforzando la struttura interna del materiale. È proprio a causa dei cambiamenti nella struttura interna del materiale che i prodotti stampati in 3D hanno uno spazio cuscinetto più ampio quando deformati da forze esterne, simile all'effetto di assorbimento dell'energia di una collisione con un veicolo, che migliora la resistenza agli urti e alla frattura del prodotto e ha una maggiore tenacità.

I risultati sperimentali mostrano che la pellicola preparata mediante stampa 3D utilizzando il precursore DLP con uno spessore di soli 0,8 mm mostra prestazioni antiperforazione estremamente elevate, che gli consentono di resistere a una forza di 74,4 Newton senza rompersi. Anche in condizioni di gonfiaggio ad alta pressione, la pinza pneumatica stampata in 3D può ancora afferrare una sfera di rame del peso di 70 grammi con spine affilate sulla superficie senza rompersi, il che dimostra l'altissima tenacità e resistenza strutturale dei prodotti stampati in 3D.

Ampia applicazione di elastomeri stampati in 3D

Nel campo delle attrezzature sportive, gli elastomeri stampati in 3D forniscono agli atleti attrezzature personalizzate e ad alte prestazioni. Ad esempio, le solette personalizzate e i dispositivi di protezione utilizzano le proprietà di assorbimento degli urti e di supporto degli elastomeri per ottimizzare le prestazioni sportive degli atleti e migliorare l'esperienza di utilizzo. Soprattutto negli sport estremi e negli sport ad alto impatto, i materiali elastomerici stampati in 3D possono ridurre significativamente l'impatto sugli atleti durante l'esercizio e proteggere le articolazioni e i muscoli da lesioni.

Nei settori automobilistico e aerospaziale, gli elastomeri stampati in 3D vengono utilizzati per componenti chiave come parti leggere che assorbono gli urti e guarnizioni. Queste parti possono ridurre il peso e mantenere prestazioni elevate attraverso progetti strutturali complessi.

Nel campo dei prodotti elettronici, altoparlanti intelligenti, braccialetti intelligenti, custodie per telefoni cellulari e altri prodotti possono essere stampati con materiali elastomerici. Questi prodotti non solo hanno un'eccellente morbidezza ed elasticità, ma hanno anche un'elevata resistenza all'usura e durata, in grado di soddisfare le molteplici esigenze dei consumatori in termini di aspetto e prestazioni del prodotto.

Nel campo della produzione industriale, la tecnologia degli elastomeri per la stampa 3D viene utilizzata per produrre vari stampi industriali e cinghie di trasmissione e altre parti. Queste parti devono resistere a maggiori sollecitazioni meccaniche e vibrazioni e i materiali elastomerici sono la scelta ideale grazie alla loro eccellente elasticità e resistenza alla fatica. La produzione di queste parti attraverso la tecnologia di stampa 3D può non solo migliorare l'efficienza produttiva, ma anche ridurre i costi di produzione.

L'avvento della tecnologia degli elastomeri di stampa 3D ha ulteriormente ampliato gli scenari di utilizzo dei prodotti di stampa 3D e ha portato possibilità più colorate nelle nostre vite.