Saintis China telah membuat kejayaan baharu dalam menyelesaikan "masalah industri" teknologi pencetakan 3D!

Dengan pesatnya perkembangan sains dan teknologi pada masa kini, teknologi pencetakan 3D telah merebak ke semua lapisan masyarakat seperti angin timur yang kuat. Dari komponen mekanikal yang kompleks dan tepat hingga model produk yang hidup, dari prototaip bangunan yang menakjubkan hingga keperluan harian yang dipersonalisasikan, teknologi pencetakan 3D dengan kreativiti yang tidak berpenghujung dan fleksibiliti yang mencukupi, telah membawa imaginasi menjadi kenyataan, menjadikan kehidupan manusia lebih mudah sambil juga memberi kejutan kepada kita.

Prinsip kerja teknologi pencetakan 3D

teknologi pencetakan 3D, yang juga dikenali sebagai teknologi pembuatan tambahan, merupakan kaedah pengeluaran inovatif yang membina objek tiga dimensi dengan menindihkan bahan lapis demi lapis. Prinsipnya adalah sama seperti membina rumah bata, yang boleh diringkaskan secara ringkas sebagai "pengeluaran berlapis, penindihan lapis demi lapis".

Proses pencetakan 3D tidak rumit. Pertama, model digital dicipta atau diperoleh melalui perisian reka bentuk berbantu komputer, kemudian model tersebut dipotong menjadi siri lapisan rentas yang sangat nipis (iaitu, keratan), dan ketebalan setiap keratan biasanya berada di antara puluhan mikron hingga ratusan mikron. Selepas itu, berdasarkan maklumat keratan ini, pencetak 3D membina objek akhir secara berlapis menggunakan teknologi dan bahan tertentu.

proses pencetakan 3D merangkumi model pemendapan lelehan (FDM), pencetakan stereolitografi foto (SLA, DLP, LCD), pensinteran laser terpilih (SLS), peleburan laser terpilih (SLM), pencetakan inkjet stereo (3DP), dan pengeluaran berlapis-lapis (LOM).

Fused deposition modeling (FDM) adalah proses di mana bahan termoplastik berbentuk filamen dipanaskan dan dilebur melalui muncung, kemudian diletakkan secara berlapis-lapis di atas platform, dan akhirnya menjadi objek tiga dimensi yang padat. Teknologi ini sering menggunakan bahan termoplastik sebagai bahan mentah, seperti polimer akrilonitril-butadiena-stirena (ABS), asid polilaktik (PLA), dan sebagainya. Ia mempunyai keperluan kelengkapan yang rendah dan mudah dikendalikan, sesuai untuk individu dan studio kecil. "Kilat lobak" dan "pedang teleskopik" yang menjadi popular di pasaran alat mainan kebelakangan ini dihasilkan dengan cara ini.

Pencetakan 3D stereolitografi (SLA, DLP, LCD) menggunakan cahaya dalam julat dan bentuk tertentu untuk menyerap resin peka cahaya, lapis demi lapis resin ini mengeras untuk menghasilkan objek berbentuk yang diingini. Teknologi ini mempunyai ketepatan pembentukan tinggi dan permukaan yang licin, sesuai untuk membuat model halus dan bahagian kecil.

Penyinteran laser terpilih (SLS) menggunakan sinar laser untuk mengimbas bahan serbuk bagi melebur dan mengikatnya bersama, lapis demi lapis sehingga membentuk objek tiga dimensi. Teknologi ini menggunakan serbuk sebagai bahan mentah (seperti nilon, serbuk logam, serbuk seramik, dan lain-lain), mempunyai ketepatan pembentukan yang tinggi, dan sesuai untuk pengeluaran komponen berfungsi dengan struktur kompleks.

Peleburan laser terpilih (SLM) mempunyai tenaga laser yang lebih tinggi, dengan prinsip yang hampir sama seperti penyinteran laser terpilih (SLS), dan mampu meleburkan sepenuhnya serbuk logam bagi mencapai penghasilan prototaip logam secara cepat. Teknologi ini sering menggunakan serbuk logam (seperti aloi titanium, keluli tahan karat, dan lain-lain) sebagai bahan mentah, boleh mencetak komponen logam berkekuatan tinggi dan berketepatan tinggi, serta digunakan secara meluas dalam bidang aeroangkasa, perubatan dan lain-lain.

Pencetakan inkjet stereo (3DP) menggunakan bahan serbuk (logam atau bukan logam) dan bahan pelekat sebagai bahan mentah, serta menggunakan mekanisme pengikatan untuk mencetak setiap komponen secara berlapis-lapis. Sampel yang dicetak menggunakan teknologi ini mempunyai warna yang sama dengan produk sebenar, dan pada masa ini ia merupakan teknologi pencetakan 3D berwarna yang lebih matang.

Pengilang objek berlapis (LOM) menggunakan bahan lembaran nipis (seperti kertas, filem plastik, dan sebagainya) dan bahan pelekat termal sebagai bahan mentah, serta mengumpulkan objek yang diperlukan secara berlapis-lapis melalui pemotongan laser dan pengikatan termal. Teknologi ini mempunyai kelajuan pemodelan yang tinggi dan kos bahan yang rendah, serta sesuai untuk penghasilan struktur dan keseluruhan yang besar.

Walaupun produk teknologi pencetakan 3D mempunyai tahap pemulihan yang tinggi, ia terbatas oleh bahan mentah pencetakan. Produk bercetakan 3D amat rapuh dan mudah pecah akibat daya luaran. Apabila produk sebegini digunakan dalam situasi yang memerlukan prestasi mekanikal tinggi, ia akan kelihatan agak "tidak berupaya". Jadi, bagaimana untuk meningkatkan "hati kaca" produk bercetakan 3D supaya mempunyai "kulit" yang cantik dan "kelenturan" yang tidak mudah pecah?

Pada 3 Julai 2024, saintis-saintis China menerbitkan satu keputusan kajian mengenai elastomer bercetakan 3D dalam jurnal Nature. Gelang getah yang disediakan menggunakan teknologi ini boleh diregangkan sehingga 9 kali panjang asalnya, dan kekuatan tegangan maksimum boleh mencapai 94.6MPa, bersamaan dengan 1 milimeter persegi mampu menanggung hampir 10 kilogram graviti, menunjukkan kekuatan dan kelenturan yang sangat tinggi.

"Perdamaian" antara kelajuan pembentukan dengan kelenturan produk siap

Dalam proses pencetakan 3D pengekalan cahaya (SLA, DLP, LCD), peningkatan kecekapan pengeluaran memerlukan kelajuan pembentukan yang lebih tinggi, yang seterusnya menyebabkan peningkatan ketumpatan pengangkulan bahan dan pengurangan keliatan bahan semasa proses pengekalan. Dengan kaedah konvensional, walaupun keliatan bahan meningkat, kelikatan bahan juga akan meningkat, yang akan membawa kepada pengurangan keteraliran dan penurunan kelajuan pembentukan. Percanggahan antara kelajuan pembentukan pencetakan 3D dan keliatan produk siap sentiasa menjadi masalah kepada seluruh industri.

Ahli sains China telah "mengimbangkan" dua percanggahan ini. Para penyelidik mencadangkan strategi untuk pencetakan berperingkat dan pasca-pemprosesan dengan menganalisis bahan mentah resin fotosensitif bagi pencetakan 3D pengekalan cahaya dan membongkar proses pencetakan tersebut. Para penyelidik mereka bentuk suatu prekursor DLP (pemprosesan cahaya digital) dimetakrilat, yang mengandungi ikatan urea terhalang dinamik dan dua kumpulan karboksil pada rantai utamanya. Semasa peringkat pencetakan dan pembentukan, komponen-komponen utama ini berada dalam keadaan "dorman" dan memainkan peranan dalam memperkuat semasa peringkat pasca-pembentukan.

a. Objek yang dicetak 3D dan perubahan dimensinya semasa pasca-pemprosesan; b. Prestasi anti-tusukan belon yang dicetak 3D; c. Pemodelan daya tusukan mekanikal; d-e. Ujian angkat berat oleh pengapit pneumatik yang dicetak 3D. Sumber imej: Rujukan [1]

Semasa peringkat pasca-pemprosesan pada 90°C, ikatan urea terhalang dalam produk bercetak 3D ini terurai untuk menghasilkan kumpulan isosianat, yang sebahagian besarnya membentuk ikatan amida dengan kumpulan karboksil pada rantai sisi, dan sebahagian kecilnya bertindak balas dengan air yang diserap oleh asid karboksilik untuk membentuk ikatan urea. Perubahan dalam ikatan kimia di dalam molekul-molekul ini menghubungkan struktur rangkaian tunggal dalam bahan tersebut menjadi struktur rangkaian yang saling bertindih seperti "satu sama lain", membawa lebih banyak ikatan hidrogen dan mengukuhkan struktur dalaman bahan tersebut. Justeru kerana perubahan struktur dalaman bahan tersebut, produk cetak 3D ini mempunyai ruang penyangkup yang lebih besar apabila terdedah kepada daya luar, menyerupai kesan penyerapan tenaga semasa perlanggaran kenderaan, yang meningkatkan rintangan hentaman dan rintangan retak produk tersebut serta mempunyai keliatan yang lebih tinggi.

Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa filem yang disediakan melalui pencetakan 3D menggunakan prekursor DLP dengan ketebalan hanya 0.8 mm menunjukkan prestasi anti-tusukan yang sangat kuat, membolehkannya menahan daya sebanyak 74.4 Newton tanpa putus. Malah dalam keadaan pengembangan tekanan tinggi sekalipun, pengapit pneumatik bercetak 3D masih mampu memegang sebiji bola kuprum seberat 70 gram yang mempunyai duri tajam di permukaannya tanpa pecah, yang membuktikan ketangguhan dan kekuatan struktur produk bercetak 3D yang sangat tinggi.

Aplikasi meluas bagi elastomer bercetak 3D

Dalam bidang peralatan sukan, elastomer bercetak 3D menyediakan peralatan yang dipersonakan dan berprestasi tinggi kepada atlet. Sebagai contoh, tapak dalam dan peralatan perlindungan yang disesuaikan menggunakan sifat penyerap hentakan dan sokongan elastomer untuk mengoptimumkan prestasi sukan atlet dan meningkatkan pengalaman pemakaiannya. Terutamanya dalam sukan lasak dan sukan berimpak tinggi, bahan elastomer bercetak 3D boleh mengurangkan hentakan ke atas atlet semasa bersenam secara ketara dan melindungi sendi dan otot mereka daripada kecederaan.

Dalam bidang automotif dan kedirgantaraan, elastomer bercetak 3D digunakan untuk komponen utama seperti bahagian penyerap hentakan yang ringan dan segel. Komponen ini boleh mengurangkan berat dan mengekalkan prestasi tinggi melalui reka bentuk struktur yang kompleks.

Dalam bidang produk elektronik, pembesar suara pintar, gelang pintar, kes telefon bimbit dan produk lain boleh dicetak dengan bahan elastomer. Produk ini tidak sahaja mempunyai kelunakan dan keanjalan yang sangat baik, tetapi juga mempunyai ketahanan haus dan kekuatan yang tinggi, yang boleh memenuhi keperluan pelbagai aspek pengguna terhadap rupa dan prestasi produk.

Dalam bidang pembuatan industri, teknologi cetak 3D elastomer digunakan untuk menghasilkan pelbagai acuan industri dan bahagian-bahagian lain seperti tali sawat. Bahagian-bahagian ini perlu menanggung tekanan mekanikal dan getaran yang lebih tinggi, dan bahan elastomer adalah pilihan yang ideal dengan keanjalan dan rintangan keletihan yang sangat baik. Pengeluaran bahagian-bahagian ini melalui teknologi pencetakan 3D tidak sahaja boleh meningkatkan kecekapan pengeluaran, malah dapat mengurangkan kos pengeluaran.

Kemunculan teknologi cetak 3D berasaskan elastomer telah seterusnya memperluaskan senario penggunaan produk pencetakan 3D dan membawa pelbagai kemungkinan yang lebih berwarna-warni dalam kehidupan kita.