Қытай ғалымдары 3D басып шығару технологиясының «индустриялық мәселелерін» шешуде жаңа сатып өтті!

Бүгінгі таңда ғылым мен техниканың жедел дамуымен қатар, 3D басып шығару технологиясы шығыс желі сияқты әртүрлі салаларға тарайды. Күрделі және дәл механизм бөлшектерінен бастап өмірге ұқсас келетін өнімдердің моделдеріне, фантастикалық ғимараттардың тәжірибелік нұсқаларынан бастап жеке пайдалануға арналған ыңғайлы заттарға дейін, 3D басып шығару технологиясы шексіз шығармашылық пен жеткілікті серпімділік арқылы адамдардың көзқарастарын нақтылыққа айналдырып, өмірді жеңілдетіп қана қоймай, бізге қуаныш әкелуде.

3D басып шығару технологиясының жұмыс істеу принципі

3D басып шығару технологиясы немесе қосымша өндіріс технологиясы деп аталатын технология - материалдарды қабат-қабат қосып жасау арқылы үш өлшемді объектілерді жасау әдісі болып табылады. Оның принципі үйді кірпішпен салу процесіне ұқсас болып, оны қарапайым түрде «қабаттап жасау, қабат-қабат қосу» деп тұжырымдауға болады.

3D басып шығару процесі күрделі емес. Алдымен, компьютерлік көмектесу жобалау бағдарламасы арқылы сандық модель жасалынады немесе алынады, сосын модель өте жұқа көлденең қабаттар тізбегіне (яғни, кесінділерге) бөлінеді және әрбір кесіндінің қалыңдығы әдетте ондаған микрон мен жүз микрон аралығында болады. Сосын, осы кесінділердің ақпаратына сүйене отырып, 3D принтер белгілі бір технология мен материалдар арқылы соңғы затты қабаттап құрайды.

3D басып шығару процесстері фьюжн депозитті модельдеу (FDM), фото-стереолитографиялық 3D басып шығару (SLA, DLP, LCD), селективті лазерлік синтерлеу (SLS), селективті лазерлік балқыту (SLM), стерео инкжетті басып шығару (3DP) және қабаттап өндіру (LOM) қамтиды.

Фьюжн депозициялық модельдеу (FDM) – бұл сымтәрізді термопластикалық материалдардың саңылау арқылы қыздырылып еріп, платформаға қабат-қабат жағылып, соңында үш өлшемді затқа айналуын қамтамасыз ететін үрдіс. Бұл технология термопластикалық материалдарды шикізат ретінде пайдаланады, мысалы, акрилонитрил-бутадиен-стиролдың кополимері (ABS), полимолдік қышқыл (PLA) және т.б. Қондырғыларға қойылатын талаптар төмен және пайдалану оңай болғандықтан, жеке тұлғалар мен кіші студиялар үшін тиімді. Ойыншықтар нарығында соңғы кезде танымал болып жүрген "радиусты пышақ" пен "телескопты қылыш" солай жасалады.

Стереолитографиялық 3D басып шығару (SLA, DLP, LCD) – бұл белгілі бір толқын ұзындығы мен пішіндегі жарықтың фотополимерлі шайырға түсірілуін қолданып, оны қабат-қабат күйге келтіріп, қажетті пішіндегі заттар алуға мүмкіндік беретін технология. Бұл технологияның үлгілеу дәлдігі жоғары, беті тегіс болады, сондықтан әдемі модельдер мен кіші бөлшектерді жасауға ыңғайлы.

Таңдамалы лазерлік синтерлеу (SLS) үш өлшемді нәрсені құрастыру үшін ұнтақ материалдарды балқытып, оларды біріктіру арқылы қабаттап жинақтайды. Бұл технология шикізат ретінде (мысалы, нейлон, металдың ұнтағы, керамикалық ұнтақ және т.б.) ұнтақты пайдаланады, құрастыру дәлдігі жоғары және күрделі құрылымды функционалды бөлшектерді шығаруға сәйкес келеді.

Таңдамалы лазерлік балқыту (SLM) таңдамалы лазерлік синтерлеумен (SLS) ұқсас және металдың ұнтағын толық балқытып, метал бөлшектердің жылдам түпнұсқасын жасауға мүмкіндік беретін жоғары лазерлік энергияға ие. Бұл технология жиі шикізат ретінде металдың ұнтағын (мысалы, титан қорытпасы, нержавеющая болат және т.б.) пайдаланады, жоғары беріктік пен дәлдікке ие метал бөлшектерді басып шығарады және әуе-кеңістік, медициналық және басқа да салаларда кеңінен қолданылады.

Стерео инкжетті басып шығару (3DP) материалдардың (металл немесе бейметалл) ұнтақ түрін және желімдеуіш заттарды шикізат ретінде пайдаланады және құрамдас бөліктерді қабаттап басып шығару үшін байланысу механизмін қолданады. Бұл басып шығару технологиясының әрі қарай жетілдірілген түрі болып табылатын түрлі-түсті 3D басып шығару технологиясының қалыптасқан үлгілері нақты өніммен бірдей түске ие болады.

Қабатталған объектіні шығару (LOM) қағаз, пленкалық материалдар (қағаз, пластикалық пленка және т.б.) мен ыстық ерітінді желімді шикізат ретінде пайдаланады және лазерлік кесу мен жылулық байланыстыру арқылы қажетті объектілерді қабаттап жинақтайды. Бұл технологияның қалыптасу жылдамдығы жоғары және материалдың төменгі құны бар, үлкен конструкциялар мен қораптар жасауға ыңғайлы.

3D басып шығару технологиясының өнімі қалпына келтіру дәрежесі жоғары болғанымен, бастапқы материалдармен шектеледі. 3D басылып шыққан өнімдер өте сынық болып келеді және сыртқы күштер әсерінен жеңіл сынады. Механикалық өнімділік талаптары жоғары болатын жағдайларда мұндай өнімдер қандай да бір жетіспеушіліктерге ие болып табылады. Онда 3D басылып шыққан өнімдердің "шыны жүрегін" қалай жақсартуға болады, әрі әдемі "терісі" болып, сынбайтын "иілгіштігін" қалай қамтамасыз етуге болады?

2024 жылдың 3 шілдесінде қытайдың ғалымдары Nature журналында 3D басылып шығарылған эластика туралы зерттеу нәтижесін жариялады. Осы технологияны пайдаланып дайындалған резеңке жолақтар өз ұзындығынан 9 есе созылуы мүмкін, ал ең жоғары созу беріктілігі 94,6 МПа-ға жетеді, яғни 1 шаршы миллиметр шамамен 10 килограмм ауырлық күшін шыдай алады, бұл өте жоғары беріктілік пен қаттылықты көрсетеді.

ақпаратты шығару жылдамдығы мен өнімнің қаттылығының арасындағы "үйлесім"

Фотоотверждения 3D басып шығару процесінде (SLA, DLP, LCD) өндірістілікті арттыру үшін пішіндеу жылдамдығын арттыру қажет, бұл материалдың көлденең байланыс тығыздығын арттырып, қатайту процесі кезінде материалдың серпімділігін төмендетеді. Дәстүрлі әдістер кезінде материалдың серпімділігі артса да, материалдың тұтқырлығы да артады, бұл ағып шығу қабілетінің төмендеуіне және пішіндеу жылдамдығының азаюына әкеліп соғады. 3D басып шығару пішіндеу жылдамдығы мен өнімнің серпімділігі арасындағы қайшылық әрқашан да өнеркәсіпті мазалауда.

Қытайдың ғалымдары бұл екі қайшылықты "бейбіттеу" тапты. Зерттеушілер фотокүркіту 3D басып шығару үшін шикізат болып табылатын фотосенсибельді шайырды талдау арқылы және басып шығару процесін бөлшектеп, сатылы басып шығару мен пост-өңдеу стратегиясын ұсынды. Зерттеушілер негізгі тізбекте динамикалық бөгелген мочевина байланысы мен екі карбоксил тобынан тұратын диметакрилаттың DLP (цифрлық жарық өңдеуі) прекурсорын жобалады. Басып шығару мен пішіндеу сатысында осы негізгі компоненттер "жансыз" күйде болып, пішінделгеннен кейінгі өңдеу сатысында қаттылау қызметін атқарады.

a. 3D басылып шыққан заттар және пост-өңдеу кезіндегі өлшемдерінің өзгеруі; b. 3D басылып шыққан әуе шарларының тесілмейтіндігі; c. Механикалық тесу күшінің модельдеуі; d-e. 3D басылып шыққан пневматикалық қысқыштың салмақ көтеру сынағы. Суреттің көзі: Пайдаланылған әдебиет [1]

90°C температурадағы соңғы өңдеу кезеңінде 3D басылып шығарылған өнімдердегі бұғатталған мочевина байланыстары изоцианат топтарын түзіп диссоциацияланады, олар бір жағынан карбоксил топтарымен амидтік байланыстар түзсе, екінші жағынан карбон қышқылымен сіңірілген сумен әрекеттесіп мочевина байланыстарын түзеді. Химиялық байланыстардағы өзгерістер материалдағы жалғыз желілік құрылымды бір-біріне ұмтылған желілік құрылымға қосып, қосымша сутектік байланыстар жасап, материалдың ішкі құрылымын беріктейді. Дәл осы материалдың ішкі құрылымындағы өзгерістерге байланысты 3D басылып шыққан өнімдер сыртқы күштер әсерінен деформацияланған кезде үлкен буферлік кеңістікке ие болады, бұл автомобиль соқтығысының энергиясын жұту әсеріне ұқсас, өнімнің соққыға және сынғыштыққа тұрақтылығын арттырып, жоғары иілгіштікке ие болуына әкеледі.

Тәжірибелер нәтижесі 0,8 мм қалыңдығы бар DLP-ның шикізатын пайдаланып 3D баспадан шығарылған пленканың өте күшті антипроколдық қасиеті бар екенін көрсетеді, ол сынбайтын 74,4 Ньютон күшіне шыдайды. Қысымы жоғары ысырға қарамастан, 3D баспадан шығарылған пневматикалық сығуыш әлі де бетінде сүйір тікенді 70 граммдық мыс шарды ұстап тұра алады, бұл 3D баспадан шығарылған өнімдердің өте жоғары қаттылығы мен құрылымдық беріктігін көрсетеді.

3D баспадан шығарылған эластомерлердің кең қолданылуы

Спорт құралдары саласында 3D-басылған эластикалық материалдар спортшыларға дәл сәйкес келетін, жоғары өнімділікті құралдар береді. Мысалы, дәл сәйкестендірілген етік іштіктері мен қорғаныс құрылғылары эластикалық материалдардың соққыны жұмсарту және тірек қасиеттерін пайдаланып, спортшылардың спорттық өнімділігін тиімді ету мен киімнің ыңғайлылығын арттырады. Ерекше қауіпті спорт түрлері мен әсері күшті спорт түрлерінде 3D-басылған эластикалық материалдар спорт жаттығулары кезінде спортшыларға әсер ететін соққыны біршама азайтып, буындары мен бұлшықеттерін жарақаттан қорғайды.

Автокөлік және әуе-кеңістік салаларында 3D-басылған эластикалық материалдар жеңіл соққы жұтқыш бөлшектер мен сығылғыштар сияқты негізгі компоненттер үшін қолданылады. Осындай бөлшектер салмақты азайтуға және күрделі конструкциялық дизайндар арқылы жоғары өнімділікті сақтауға мүмкіндік береді.

Электрондық өнімдер саласында дыбысты шығарғыштар, ақылды білезіктер, ұялы телефон қаптамалары сияқты өнімдерді эластикалық материалдармен басып шығаруға болады. Бұл өнімдер жұмсақтық пен серпінділіктің жоғары көрсеткіштерін ғана емес, сонымен қатар үйкеліске және тозуға тұрақтылықтың жоғары деңгейін де сақтайды, бұл тұтынушылардың өнімнің сыртқы түрі мен өнімділігіне қойылатын көпжақты талаптарын орындауға мүмкіндік береді.

Өнеркәсіптік өндіріс саласында 3D басып шығару эластикалық технологиясы әртүрлі өнеркәсіптік пішіндерді, тасымалдау ленталарын және басқа да бөлшектерді жасау үшін қолданылады. Бұл бөлшектер механикалық кернеу мен тербелістердің әсеріне шыдамды болуы тиіс, ал эластикалық материалдар өз ерекше серпінділігі мен шаршауға тұрақтылығы арқасында оңтайлы таңдау болып табылады. Бұл бөлшектерді 3D басып шығару технологиясы арқылы жасау өндіріс тиімділігін арттыруға ғана емес, сонымен қатар өндіріс шығындарын азайтуға көмектеседі.

3D басып шығару эластикалық технологиясының пайда болуы 3D басып шығарылған өнімдердің қолданылу аясын кеңейтті және өмірімізге әртүрлі мүмкіндіктер әкелді.