Kinų mokslininkai pasiekė naujo probovo sprendžiant „pramonines problemas“ 3D spausdintuvų technologijoje!

Dėl šių dienų mokslo ir technologijų sparčios plėtros, 3D spausdinimo technologija pasklido visose visuomenės srityse kaip stiprus rytų vėjas. Nuo sudėtingų ir tikslų mechaninių detalių iki gyvų produktų modelių, nuo fantastiškų architektūrinių prototipų iki personalizuotų kasdieninių reikmenų, 3D spausdinimo technologija, turėdama begalinę kūrybiškumą ir pakankamą lankstumą, įgyvendino žmonių vaizduotę, padarė gyvenimą patogesnį, taip pat suteikė mums netikėtumų.

3D spausdinimo technologijos veikimo principas

3D spausdinimo technologija, kitaip vadinama pridėtinės gamybos technologija, yra inovacinė gamybos metodika, kuri sukuria trimačius objektus sluoksnis po sluoksnio klojant medžiagą. Jos principas yra panašus į plytų namo statymą, kurį galima paprastai apibūdinti kaip „sluoksniuotą gamybą, sluoksnis po sluoksnio klojimą“.

3D spausdinimo procesas nėra sudėtingas. Pirmiausia skaitmeninė modelis yra sukuriama arba gaunama naudojant kompiuterinio projektavimo programinę įrangą, o po to modelis yra pjaustomas į eilę labai plonų skersinių sluoksnių (t. y. pjaustymų), ir kiekvieno pjaustymo storis paprastai yra tarp dešimčių mikronų ir šimtų mikronų. Tada, remiantis šia pjaustymo informacija, 3D spausdintuvą pagal tam tikrą technologiją ir medžiagas sluoksnis po sluoksnio sukuriamas galutinis objektas.

3D spausdinimo procesai apima lydymo modeliavimą (FDM), šviesos stereolitografijos 3D spausdinimą (SLA, DLP, LCD), selektyvų lazerinį sinteriavimą (SLS), selektyvų lazerinį lydymą (SLM), stereoskopinį pieštuvo spausdinimą (3DP) ir sluoksnis po sluoksnio gaminimą (LOM).

Fuzinio garinimo modeliavimas (FDM) yra procesas, kai siūliniai termoplastikos medžiagos yra įkaitinamos ir ištirpinamos per svarstykles, sluoksnis po sluoksnio dedamos ant platformos ir galiausiai sutvirtinamos į trimatį objektą. Ši technologija dažnai naudoja termoplastikines medžiagas kaip žaliavas, tokias kaip akrilonitrilo-butadieno-stireno kopoliemeris (ABS), polilaktinė rūgštis (PLA) ir kt. Ji turi mažas įrenginių reikalavimus ir yra lengvai valdoma, tinkama individualiam ir mažam studijoms. Naujai populiarūs žaislų rinkoje „ridėlio peilis“ ir „teleskopinis kardas“ yra pagaminti būtent šiuo būdu.

Stereolitografijos 3D spausdinimo (SLA, DLP, LCD) technologijoje naudojama tam tikro diapazono ir formos šviesa apšviečia šviesą jautrią dervą, o ši yra kruopščiai sukietinama sluoksnis po sluoksnio, kad būtų gaminami norimos formos objektai. Ši technologija turi aukštą formavimo tikslumą ir lygų paviršių, tinka daryti smulkiems modeliams ir mažiems komponentams.

Selektyvus lazerinis sinteriavimas (SLS) naudoja lazerio spindulį, kuris peršviečia miltelius, juos lydant ir sujungiant, sluoksnis po sluoksnio formuojant trimatį objektą. Ši technologija kaip žaliavą naudoja miltelius (pvz., niloną, metalo miltelius, keramikos miltelius ir pan.), turi aukštą formavimo tikslumą ir tinka gaminti funkcinius kompleksinės struktūros dalių.

Selektyvus lazerinis lydymas (SLM) pasižymi didesne lazerio energija, panašia į selektyvaus lazerinio sinteriavimo (SLS) technologiją, leidžiančią visiškai išlydyti metalo miltelius ir greitai gaminti metalines dalis. Ši technologija dažniausiai naudoja metalo miltelius (pvz., titano lydinius, nerūdijantį plieną ir pan.), gali spausdinti aukštos kokybės, didelio tikslumo metalines dalis ir yra plačiai naudojama aviacijos, medicinos ir kitose srityse.

Stereo inkjet printing (3DP) naudoja miltelinius medžiagas (metalines arba ne metalines) ir klijus kaip žaliavas, o surišimo mechanizmą naudoja kiekvienam komponentui spausdinti sluoksnis po sluoksnio. Šios spausdinimo technologijos suformuoti pavyzdžiai turi tokį patį spalvą kaip ir tikras produktas, ir šiuo metu tai labiau išsivysčiusi spalvų 3D spausdinimo technologija.

Sluoksniuoto objekto gamyba (LOM) naudoja plonas plokštes (pvz., popieriaus, plastikinės plėvelės ir pan.) ir karštojo lydymo klijus kaip žaliavas, o reikalingus objektus sukaupta sluoksnis po sluoksnio per lazerinį pjaustymą ir terminį suklijavimą. Ši technologija turi greitą formavimo spartą ir žemą medžiagos kainą, ir tinka gaminti didelius konstrukcijas ir korpusus.

Nors 3D spausdinimo technologijos produktas turi aukštą atkūrimo laipsnį, jis yra ribojamas dėl spausdinimo žaliavų. 3D spausdinti produktai yra labai trapūs ir lengvai lūžta veikiami išorinių jėgų. Kai tokie produktai naudojami situacijose, reikalaujančiose aukšto mechaninio atsparumo, jie atrodo šiek tiek "nepakankami". Taigi, kaip pagerinti 3D spausdintų produktų "stiklinę širdį", kad jie turėtų gražų "odą" ir būtų lankstūs, kad nesprūdžių?"

2024 m. liepos 3 d. kinų mokslininkai žurnale Nature paskelbė tyrimų rezultatus apie 3D spausdintus elastingus polimerus. Naudojant šią technologiją pagamintos guminės juostelės gali būti ištemptos iki 9 kartų virš jų pradinio ilgio, o maksimalus tempimo stipris gali pasiekti 94,6 MPa, tai reiškia, kad 1 kvadratinis milimetras gali išlaikyti beveik 10 kg svorį, parodydamas labai aukštą stiprumą ir atsparumą.

"Prieštaravimų švelninimas" tarp formavimo greičio ir gaminio lankstumo

Fotopolimerizacijos 3D spausdinimo (SLA, DLP, LCD) procese gamybos našumo padidinimui reikia didesnio formavimo greičio, dėl ko padidėja medžiagos tinklinio susiejimo tankis ir sumažėja medžiagos atsileidimas, vykstant kietinimo procesui. Pagal tradicines priemones, kai medžiagos atsileidimas padidėja, taip pat padidėja medžiagos klampumas, dėl ko sumažėja skysčio tekėjimas ir formavimo greitis. Tarp 3D spausdinimo formavimo greičio ir gaminio atsileidimo visada egzistavo prieštaravimas, kuris kėlė sunkumų visai pramonei.

Kinijos mokslininkai „reconciled“ šiuos du prieštaravimus. Tyrėjai, analizuodami žaliavų fotopolimerinės droselės fotokietinimo 3D spausdinimui ir išardydami spausdinimo procesą, pasiūlė etapinio spausdinimo ir po to atliekamo apdorojimo strategiją. Mokslininkai sukūrė DLP (skaitmeninio vaizdo apdorojimo) dimetakrilato pirmininką, kuriame pagrindinėje grandinėje yra dinamiškai užblokuota karbamido jungtis ir dvi karboksilo grupės. Spausdinimo ir formavimo stadijoje šie pagrindiniai komponentai yra „mieguistos“ būklės ir formavimo pabaigoje atliekamo apdorojimo stadijoje atlieka stiprinimo vaidmenį.

a. 3D spausdinti objektai ir jų matmenų pokyčiai vykstant apdorojimui; b. 3D spausdintų balionų antiprostyklinės savybės; c. Mechaninio priešgrybinių jėgų modeliavimas; d–e. 3D spausdinto pneumatinio gripperio svorio pakėlimo testas. Vaizdo šaltinis: Nuoroda [1]

Apdorojimo etape esant 90 °C, 3D spausdintuose produktuose esantys užblokuoti karbamido junginiai skyla, kad susidarytų izocianato grupės, kurios viena iš jų sudaro amido junginius su šoninės grandinės karboksilo grupėmis, o kita kita – reaguoja su karbono rūgščiai sugertu vandeniu, kad susidarytų karbamido junginiai. Cheminių ryšių pokyčiai molekulėse sujungia atskirą tinklo struktūrą medžiagoje į tarpusavyje susipynusią tinklo struktūrą, panašią į „ranka į ranką“, kuri sukuria daugiau vandenilio ryšių ir sustiprina medžiagos vidinę struktūrą. Būtent dėl vidinės struktūros pokyčių 3D spausdinti gaminiai, deformuojami išorinių jėgų, turi didesnį atsarginį tarpą, panašų į automobilio susidūrimo energijos sugerties efektą, kuris padidina gaminio atsparumą smūgiui ir lūžimui bei suteikia didesnį lankstumą.

Eksperimentų rezultatai rodo, kad naudojant DLP pirmininką 3D spausdinti plėvelę, kurios storis tik 0,8 mm, ji turi labai stiprią atsparumo pradūrimui savybę, todėl gali išlaikyti 74,4 Niutonų jėgą, nesutrūkus. Net esant aukšto slėgio sąlygoms, 3D spausdintas pneumatinis griebtuvas gali pakelti 70 gramų svorio vario rutulį, kurio paviršius turi aštrius dyglius, nesulūžtant, o tai rodo 3D spausdintų produktų labai aukšta atsparumą ir konstrukcinę stiprumą.

3D spausdintų elastingųjų medžiagų pločiai taikomos

Sporto įrangos srityje 3D spausdinti elastomerai suteikia sportininkams personalizuotą, aukštos kokybės įrangą. Pavyzdžiui, individualūs padai ir apsauginė įranga panaudoja elastomerų smūgių sugeriančias ir atramininkaujančias savybes, kad būtų optimizuotas sportininkų našumas ir pagerintas nešiojimo patirtis. Ypač ekstremaliuose ir stipriai apkroviamuose sporto rūšyse, 3D spausdinti elastomeriniai medžiagos gali reikšmingai sumažinti poveikį sportininkams per pratimus ir apsaugoti jų sąnarius bei raumenis nuo sužeidimų.

Automobilių ir aviacijos srityse 3D spausdinti elastomerai naudojami kaip lengvai sugraužiamos dalys ir sandarikliai. Šios detalės gali sumažinti svorį ir išlaikyti aukštą našumą dėl sudėtingų konstrukcinių dizainų.

Elektronikos prekių srityje elastomerinėmis medžiagomis galima spausdinti išmaniuosius garsiakalbius, išmaniuosius apyrankes, mobiliųjų telefonų dėkles ir kitas prekes. Šios prekės ne tik turi puikią minkštumą ir elastingumą, bet ir pasižymi dideliu atsparumu dilimui bei ilgaamžiškumu, todėl atitinka vartotojų įvairiapusius reikalavimus dėl prekių išvaizdos ir savybių.

Pramonės gamybos srityje 3D spausdinimo elastomerų technologija naudojama gaminant įvairius pramonės formas, perdavimo diržus ir kitas dalis. Šios detalės turi atlaikyti didesnę mechaninę įtampą ir vibraciją, o dėl puikios elastingumo ir atsparumo nuovargiui savybių elastomerinės medžiagos yra idealus pasirinkimas. Šių dalių gamyba naudojant 3D spausdinimo technologiją ne tik padidina gamybos efektyvumą, bet ir sumažina gamybos išlaidas.

3D spausdinimo elastomerų technologijos atsiradimas dar labiau išplėtė 3D spausdinimo produktų panaudojimo scenarijus ir suteikė gyvenimui įvairesnių galimybių.