Chinese wetenschappers hebben een nieuwe doorbraak geboekt bij het oplossen van de "industrieproblemen" van 3D-printtechnologie!

Met de snel ontwikkelende wetenschap en technologie van vandaag de dag heeft 3D-printtechnologie zich als een sterke oostelijke wind verspreid over alle beroepen en standen. Van complexe en nauwkeurige mechanische onderdelen tot realistische productmodellen, van fantasierijke architectonische prototypes tot persoonlijke gebruiksartikelen, 3D-printtechnologie, met haar oneindige creativiteit en voldoende flexibiliteit, brengt verbeelding in de realiteit, maakt het leven van mensen gemakkelijker en brengt ons ook verrassingen.

Werking van 3D-printtechnologie

3D-printtechnologie, ook wel additief vervaardigingsproces genoemd, is een innovatieve productiemethode die driedimensionale objecten bouwt door materialen laag voor laag op te stapelen. Het principe is vergelijkbaar met het bouwen van een bakstenen huis en kan eenvoudig samengevat worden als 'lagenfabrikatie, stapeling laag voor laag'.

Het 3D-printproces is niet ingewikkeld. Eerst wordt een digitaal model gemaakt of verkregen via computer-geassisteerde ontwerfsoftware, en daarna wordt het model opgesplitst in een reeks zeer dunne dwarsdoorsnede-lagen (d.w.z. slices), waarbij de dikte van elke slice doorgaans ligt tussen enkele tientallen en honderden micrometer. Vervolgens bouwt de 3D-printer, gebaseerd op deze sliceggegevens, het eindobject laag voor laag op door gebruik te maken van specifieke technologieën en materialen.

3D-printprocessen omvatten fusiedepositie-modellering (FDM), fotostereolithografische 3D-printing (SLA, DLP, LCD), selectief lasersinteren (SLS), selectief laserontsmelten (SLM), stereoinkjetprinten (3DP) en laag-op-laag-productie (LOM).

Fused deposition modeling (FDM) is een proces waarbij draadvormige thermoplastische materialen worden verhit en gesmolten door een nozzle, laag voor laag worden afgezet op een platform en uiteindelijk vastsolidifiëren tot een driedimensionaal object. Deze technologie gebruikt vaak thermoplastische materialen als grondstoffen, zoals acrylonitril-butadiene-styreen copolymer (ABS), polylactzuur (PLA), enzovoort. Het heeft lage apparatuurvereisten en is gemakkelijk te bedienen, geschikt voor individuen en kleine studios. De "radijsmes" en de "telescoopzwaard" die onlangs populair zijn in de speelgoedmarkt, worden op deze manier gemaakt.

Stereolithografie 3D-printen (SLA, DLP, LCD) maakt gebruik van licht van een specifieke golflengte en vorm om fotosensitieve resin te bestrijken, waarna de resin laag voor laag hard wordt gelijmd om objecten van de gewenste vorm te genereren. Deze technologie heeft hoge vormnauwkeurigheid en een gladde oppervlakte, en is geschikt voor het maken van fijn modellen en kleine onderdelen.

Selectief lasersinteren (SLS) gebruikt een laserstraal om poedermaterialen te verhitten en samen te smelten, laag voor laag tot een driedimensionaal object. Deze technologie gebruikt poeder als grondstof (zoals nylon, metalenpoeder, keramiekpoeder, etc.), heeft hoge vormnauwkeurigheid en is geschikt voor het maken van functionele onderdelen met complexe structuren.

Selectief laserontsmelten (SLM) heeft een hogere laserenergie, vergelijkbaar met selectief lasersinteren (SLS), en kan metaalpoeder volledig laten smelten om snel prototypes van metalen onderdelen te realiseren. Deze technologie gebruikt vaak metaalpoeder (zoals titaniumlegeringen, roestvrij staal, etc.) als grondstof, kan hoogsterkte, hoognauwkeurige metalenonderdelen printen, en wordt breed toegepast in de luchtvaart-, medische en andere sectoren.

Stereo inkjet printing (3DP) maakt gebruik van gepulveriseerde materialen (metaal of niet-metaal) en lijmstoffen als grondstoffen, en gebruikt het bindmechanisme om elk onderdeel laag voor laag af te drukken. De gemoduleerde monsters van deze printtechnologie hebben dezelfde kleur als het echte product, en het is momenteel een meer volwassen kleuren-3D-printtechnologie.

Laminated object manufacturing (LOM) maakt gebruik van dunne plaatmaterialen (zoals papier, plasticfolie, etc.) en thermoplastische lijm als grondstoffen, en bouwt de gewenste objecten laag voor laag op door middel van laser-snijden en thermisch binden. Deze technologie heeft een snelle vormgevings snelheid en lage materiaalkosten, en is geschikt voor het maken van grote structuren en schillen.

Hoewel het 3D-printproduct een hoge mate van restauratie heeft, wordt het beperkt door de printmaterialen. 3D-geprinte producten zijn zeer broos en kunnen gemakkelijk breken door externe krachten. Wanneer dergelijke producten worden gebruikt in scenario's met hoge mechanische eisen, blijken ze enigszins "onmachtig" te zijn. Dus, hoe kan de "glasachtige kern" van 3D-geprinte producten worden verbeterd, zodat ze niet alleen een aantrekkelijke "huid" hebben, maar ook "veerkracht" die niet snel breekt?

Op 3 juli 2024 publiceerden Chinese wetenschappers een onderzoeksresultaat over 3D-geprinte elastomeren in het tijdschrift Nature. De rubberbanden die met deze technologie zijn bereid, kunnen tot negen keer hun eigen lengte worden uitgerekt, en de maximale treksterkte kan 94,6 MPa bereiken, wat neerkomt op bijna 10 kilogram zwaartekracht per vierkante millimeter, wat superhoog uithoudingsvermogen en taaiheid toont.

"Verzoening" tussen vormsnelheid en taaiheid van eindproducten

Bij het proces van fotokerning 3D-printen (SLA, DLP, LCD) vereist het verbeteren van de productieëfficiëntie een hogere vormsnelheid, wat leidt tot een toename van de kruisverbindingsdichtheid van het materiaal en een afname van de taaiheid van het materiaal tijdens het verharingsproces. Onder conventionele methoden neemt de viscositeit van het materiaal toe terwijl de taaiheid toeneemt, wat resulteert in een afname van de vloeibaarheid en een vermindering van de vormsnelheid. Het conflict tussen de vormsnelheid van 3D-printen en de taaiheid van het eindproduct heeft de hele industrie altijd geplaagd.

Chinese wetenschappers hebben deze twee tegenstellingen "gereconcilieerd". De onderzoekers stelden een strategie voor gestaagde printing en naverwerking op door de oorspronkelijke fotosensitieve resin van photocurende 3D-printing te analyseren en het printproces te ontleden. De onderzoekers ontwierpen een DLP-voorloper (digital light processing) van dimethacrylaat, die een dynamisch gehinderde ureabinding en twee carboxylgroepen op de hoofdketen bevat. Tijdens de print- en vormgevingsfase zijn deze sleutelcomponenten in een "dormitieve" staat en spelen ze een versterkende rol in de fase van naderverwerking na vormgeving.

a. 3D-geprinte objecten en hun dimensionele veranderingen tijdens naverwerking; b. Steekweerstand van 3D-geprinte ballonnen; c. Modellering van mechanische steekkracht; d-e. Weegtest van 3D-geprinte pneumatische greeparm. Afbeeldingbron: Referentie [1]

Tijdens de nawerkfase op 90°C dissociëren de gehinderde ureabanden in de 3D-geprinte producten om isocyanategroepen te genereren, die enerzijds amidebanden vormen met de zijketencarboxylgroepen en anderzijds reageren met het door de zuurgroepen opgenomen water om ureabanden te vormen. De veranderingen in de chemische banden binnen de moleculen verbinden de enkelvoudige netwerkstructuur in het materiaal tot een doorschoten netwerkstructuur, vergelijkbaar met "hand in hand", wat meer waterstofbruggen oplevert en de interne structuur van het materiaal versterkt. Precies door deze veranderingen in de interne structuur van het materiaal hebben de 3D-geprinte producten een grotere bufferruimte bij vervorming door externe krachten, vergelijkbaar met het energieopname-effect bij een voertuigbotsing, wat de schokweerstand en breukweerstand van het product verbetert en een hogere taaiheid oplevert.

De experimentele resultaten tonen aan dat de laag, bereid door 3D-printen met gebruik van een DLP-voorloper met een dikte van slechts 0,8 mm, een uiterst sterke prikweerstand vertoont en in staat is om een kracht van 74,4 Newtons te verdragen zonder te breken. Zelfs onder hoge druk bij opblaascondities kan de 3D-geprinte pneumatische greep nog steeds een koperen bal van 70 gram met scherpe stekels op het oppervlak vastgrijpen zonder te breken, wat de ultra-hoge taaiheid en structurele sterkte van 3D-geprinte producten aantoont.

Uitgebreide toepassing van 3D-geprinte elastomeren

In het veld van sportuitrusting bieden 3D-geprinte elastomen atleten persoonlijke, hoogwaardige uitrusting. Bijvoorbeeld, aangepaste voetzolen en beschermende uitrustingen gebruiken de dempende en ondersteunende eigenschappen van elastomen om de sportprestaties van atleten te optimaliseren en de dragedrempel te verbeteren. Vooral in extreme sporten en sporten met hoge impact kunnen 3D-geprinte elastomer materialen de impact tijdens oefeningen aanzienlijk verminderen en de gewrichten en spieren van atleten beschermen tegen blessures.

In de automobiel- en luchtvaartsector worden 3D-geprinte elastomen gebruikt voor essentiële onderdelen zoals lichtgewicht dempende delen en afsluitingen. Deze onderdelen kunnen het gewicht verminderen en een hoge prestatie behouden door complexe structurele ontwerpen.

In het veld van elektronische producten kunnen slimme speakers, smart bracelets, mobiele telefoonhoesjes en andere producten worden gedrukt met elastomermaterialen. Deze producten hebben niet alleen uitstekende zachtigheid en elasticiteit, maar ook een hoge slijtage-weerstand en duurzaamheid, wat de meervoudige eisen van consumenten aan het uiterlijk en de prestaties van producten kan voldoen.

In de industrieële fabricage wordt 3D-printtechnologie voor elastomermaterialen gebruikt om verschillende industriële modellen en transportbanden en andere onderdelen te produceren. Deze onderdelen moeten grotere mechanische spanningen en trillingen kunnen verdragen, en elastomermaterialen zijn met hun uitstekende elasticiteit en vermoeidingsweerstand ideaal gekozen. Het vervaardigen van deze onderdelen via 3D-printtechnologie kan niet alleen de productie-efficiëntie verbeteren, maar ook de productiekosten verlagen.

De komst van 3D-printtechnologie voor elastomermaterialen heeft de toepassingsgebieden van 3D-geprinte producten verder uitgebreid en brengt meer kleurrijke mogelijkheden naar ons leven.