Kinesiske forskere har gjort en ny gjennombrudd i å løse de «industrielle problemene» med 3D-printingsteknologi!

Med den raske utviklingen av vitenskap og teknologi i dag har 3D-printing-teknologi spredd seg til alle deler av samfunnet som en sterk østlig vind. Fra komplekse og nøyaktige mekaniske deler til livlige produktmodeller, fra fantastiske arkitektoniske prototyper til personlige dagligvarer, har 3D-printing-teknologi med sin uendelige kreativitet og tilstrekkelig fleksibilitet ført fantasien inn i virkeligheten, gjort menneskers liv mer praktiske og samtidig brakt oss overraskelser.

Prinsipp for hvordan 3D-printing-teknologi fungerer

3D-printing-teknologi, også kjent som additiv produksjonsteknologi, er en innovativ produktionsmetode som bygger tredimensjonale objekter ved å stable materialer lag for lag. Dens prinsipp er likt som bygging av en mursteinshus, og kan enkelt oppsummeres som "lagvis produksjon, lag for lag stacking".

3D-printingsprosessen er ikke komplisert. Først lages eller hentes en digital modell via dataprogrammer for konstruksjon (CAD), deretter deles modellen inn i en serie svært tynne tverrsnittslag (altså skiver), og tykkelsen på hver skive er vanligvis mellom tiere mikron og hundrere mikron. Deretter bygger 3D-printeren det endelige objektet lag for lag basert på informasjonen fra disse skivene ved hjelp av spesifikk teknologi og materialer.

3D-printingprosesser inkluderer smelteekstrudering (FDM), fotostereolitografi 3D-printing (SLA, DLP, LCD), selektiv lasersintering (SLS), selektiv lasermetallurgi (SLM), stereoinjektering (3DP) og lagvis produksjon (LOM).

Fused deposition modeling (FDM) er en prosess der filamentformede termoplastiske materialer varmes opp og smeltes gjennom en dys, legges lagvis på en plattform og til slutt herdes til et tredimensjonalt objekt. Denne teknologien bruker ofte termoplastiske materialer som råvarer, slik som acrylonitril-butadien-styrenkopolymer (ABS), polylaktinsyre (PLA), osv. Den har lave krav til utstyr og er enkel å operere, egnet for privatpersoner og små studioer. De nylig populære «radish knife» og «telescopic sword» i lekemarkedet er laget på denne måten.

Stereolitografi 3D-printing (SLA, DLP, LCD) bruker lys i et bestemt bånd og form for å bestråle lysfølsom harpiks, og harpiksen herdes lagvis og danner objekter av ønsket form. Denne teknologien har høy nøyaktighet i modellering og glatt overflate, egnet for å lage fine modeller og små deler.

Selektiv lasersintering (SLS) bruker en laserstråle til å skanne pulvermaterialer for å smelte og binde dem sammen, og bygger opp lag for lag til et tredimensjonalt objekt. Denne teknologien bruker pulver som råmateriale (som nylon, metallpulver, keramisk pulver osv.), har høy modelleringsnøyaktighet og er egnet for produksjon av funksjonelle deler med komplekse strukturer.

Selektiv lasersmeltning (SLM) har høyere laserenergi, liknende selektiv lasersintering (SLS), og kan fullstendig smelte metallpulver for å oppnå rask prototyping av metallkomponenter. Denne teknologien bruker ofte metallpulver (som titanlegering, rustfritt stål osv.) som råmateriale, kan printe høyfast, høypresisjons metallkomponenter og brukes mye i luftfart, medisinsk og andre felt.

Stereo-inkjet-skriving (3DP) bruker pulvermaterialer (metall eller ikke-metall) og limmidler som råmaterialer, og bruker limemekanismen til å skrive ut hver komponent lag for lag. De formede prøvene av denne skriveteknologien har samme farge som det faktiske produktet, og er for øyeblikket en mer moden farge-3D-skriverteknologi.

Folielaminert objektfremstilling (LOM) bruker tynne foliematerialer (som papir, plastfilm osv.) og varmtilsmeltet limstoff som råmaterialer, og bygger opp nødvendige objekter lagvis gjennom laserskjæring og varmeforsveising. Denne teknologien har rask modelleringshastighet og lav materialkostnad, og er egnet for å lage store strukturer og skall.

Selv om 3D-printingsteknologiproduktet har en høy grad av restaurering, er det begrenset av utskriftsmaterialene. 3D-printede produkter er svært skrøplige og knuses lett av ytre krefter. Når slike produkter brukes i scenarier med høye mekaniske krav, vil de virke noe "uhøvsk". Så, hvordan kan man forbedre 3D-printede produkters "glasshjerte", slik at de får et godt utseende "hud" og "flexibilitet" som ikke er lett å knuse?

Den 3. juli 2024 publiserte kinesiske forskere et forskningsresultat om 3D-printede elastomerer i tidsskriftet Nature. Gummibåndene som er produsert ved hjelp av denne teknologien, kan strekkes til 9 ganger sin egen lengde, og den maksimale strekkstyrken kan nå 94,6 MPa, noe som tilsvarer at 1 kvadratmillimeter kan tåle nesten 10 kilogram gravitasjon, og viser superhøy styrke og seighet.

"Forsoning" mellom formingshastighet og seighet til ferdige produkter

I prosessen med fotokurings-3D-printing (SLA, DLP, LCD) krever forbedring av produksjonseffektiviteten en raskere formasjonsfart, noe som fører til økt tverrbindingstetthet i materialet og redusert seighet under herding. Med konvensjonelle metoder øker seigheten til materialet, men viskositeten vil også øke, noe som fører til redusert flyteevne og lavere formasjonshastighet. Motsetningen mellom formasjonshastigheten i 3D-printing og seigheten til ferdigproduktet har alltid vært et problem for hele industrien.

Kinesiske forskere har «forenet» disse to motsetningene. Forskerne presenterte en strategi for trinnvis utskrift og etterbehandling ved å analysere råvarens fotofølsomme harpiks for fotokurede 3D-utskrifter og ta fra hverandre selve utskriftsprosessen. Forskerne utformet en DLP (digital light processing) prekursor av dimetakrylat, som inneholder en dynamisk hinder uret binding og to karboksylgrupper på hovedkjeden. Under utskrifts- og modelleringsstadiet er disse nøkkeldelene i en «latent» tilstand og spiller en forsterkende rolle i etterbehandlingsstadiet.

a. 3D-printede objekter og deres dimensjonale endringer under etterbehandling; b. Anti-stansprestasjon for 3D-printede ballonger; c. Modellering av mekanisk stans kraft; d-e. 3D-printet pneumatisk gripehånd test for å løfte vekt. Bildetilgang: Referanse [1]

I etterbehandlingsstadiet ved 90°C dissosierer de hindrede ureabondene i de 3D-printede produktene for å danne isocyanatgrupper, som dels danner amidebindinger med karboksylgruppene i sidekjeden, og dels reagerer med vann som er adsorbert av karboksylsyren for å danne ureabonder. Endringene i de kjemiske bindingene innenfor molekylene kobler den enkelte nettverksstrukturen i materialet til et gjensidig gjennomtrengende nettverk som kan sammenlignes med å holde «hånd i hånd», noe som fører til flere hydrogenbindinger og styrker materialets indre struktur. Det er nettopp på grunn av endringene i materialets indre struktur at de 3D-printede produktene har større pusterom ved deformasjon som skyldes ytre krefter, tilsvarende energiabsorpsjonseffekten ved en bilkollisjon, noe som forbedrer produktets slagfasthet og bruddmotstand og gir høyere seighet.

De eksperimentelle resultatene viser at filmet som ble laget ved hjelp av 3D-printing med DLP-prekursor og en tykkelse på bare 0,8 mm viser ekstremt sterk perforeringsmotstand, noe som gjør at den tåler en kraft på 74,4 Newton uten å gå i stykker. Selv under høyetrykksopblåsningsforhold kan den 3D-printede pneumatisk griperen fremdeles ta tak i en kobberkule som veier 70 gram med skarpe torner på overflaten uten å gå i stykker, noe som demonstrerer de ultra-høye seigheten og strukturstyrken til 3D-printede produkter.

Bred anvendelse av 3D-printede elastomerer

Innenfor sportsutstyr gir 3D-printede elastomerer idrettsutøvere personlig tilpasset og høytytende utstyr. For eksempel brukes skreddersydde innersåler og beskyttelsesutstyr den støtdempende og støttende egenskapene til elastomerer for å optimere idrettsutøvernes prestasjoner og forbedre bærekomforten. Spesielt i ekstremidretter og høystressende idretter kan 3D-printede elastomermaterialer betydelig redusere påvirkningen på idrettsutøvere under trening og beskytte ledd og muskler mot skader.

Innenfor bil- og luftfartsindustrien brukes 3D-printede elastomerer til nøkkeldeler som lette støtdempende komponenter og tetninger. Disse delene kan redusere vekten og samtidig opprettholde høy ytelse gjennom komplekse strukturdesign.

Innenfor elektroniske produkter kan smarte høyttalere, smarte armbånd, mobiltelefonfodre og andre produkter trykkes med elastomermaterialer. Disse produktene har ikke bare utmerket mykhet og elastisitet, men også høy slitestyrke og holdbarhet, noe som kan møte forbrukernes mangfoldige behov for produktutseende og ytelse.

Innenfor industriell produksjon brukes 3D-printing av elastomer-teknologi til å produsere ulike industrielle former og overføringsbånd og andre komponenter. Disse komponentene må tåle større mekanisk stress og vibrasjon, og elastomermaterialer er ideelle valg på grunn av sin utmerkede elastisitet og motstand mot utmattelse. Produksjon av disse komponentene ved hjelp av 3D-printingsteknologi kan ikke bare forbedre produksjonseffektiviteten, men også redusere produksjonskostnadene.

Innføringen av 3D-printing av elastomer-teknologi har ytterligere utvidet bruksområdene for 3D-printede produkter og bought med seg flere fargerike muligheter til våre liv.