Cercetătorii chinezi au realizat o nouă descoperire în rezolvarea problemelor industriale ale tehnologiei de imprimare 3D!

În contextul dezvoltării rapide a științei și tehnologiei în prezent, tehnologia de imprimare 3D s-a răspândit în toate domeniile, asemenea unui vânt puternic din est. De la piese mecanice complexe și precise, la modele de produse realiste, de la prototipuri arhitecturale fantastice la obiecte de uz zilnic personalizate, tehnologia de imprimare 3D, cu creativitatea sa nesecată și flexibilitatea suficientă, a transformat imaginația în realitate, făcând viața oamenilor mai convenabilă, dar aducând și numeroase surprize.

Principiul de funcționare al tehnologiei de imprimare 3D

tehnologia de imprimare 3D, cunoscută și sub denumirea de tehnologie de fabricație aditivă, este o metodă inovatoare de producție care creează obiecte tridimensionale prin depunerea succesivă de straturi de material. Principiul său este asemănător cu cel al construirii unei case din cărămizi, putând fi sintetizat simplu ca „fabricație stratificată, stivuire strat cu strat”.

Procesul de imprimare 3D nu este complicat. Mai întâi, un model digital este creat sau obținut prin intermediul unui software de proiectare asistată de calculator, iar apoi modelul este secționat într-o serie de straturi transversale foarte subțiri (adică felii), iar grosimea fiecărei felii este de obicei între zeci de microni și sute de microni. Apoi, pe baza acestor informații de felii, imprimanta 3D construiește obiectul final strat după strat, folosind o tehnologie și materiale specifice.

procesele de imprimare 3D includ modelarea prin depunere fuzionată (FDM), imprimarea 3D foto-stereolitografică (SLA, DLP, LCD), sinterizarea selectivă cu laser (SLS), topirea selectivă cu laser (SLM), imprimarea stereoscopică cu jet de cerneală (3DP) și fabricarea strat cu strat (LOM).

Fused deposition modeling (FDM) este un proces în care materiale termoplastice sub formă de filament sunt încălzite și topite printr-o duză, depuse strat după strat pe o platformă și, în final, solidificate într-un obiect tridimensional. Această tehnologie utilizează frecvent materiale termoplastice ca materii prime, cum ar fi copolimerul de acrilonitrilă-butadienă-stirenă (ABS), acidul polilactic (PLA), etc. Are cerințe reduse privind echipamentul și este ușor de operat, fiind potrivită pentru indivizi și studiouri mici. Jucăriile „cuțit de rădăcină” și „spadă telescopică” care au devenit recent populare pe piața jucăriilor sunt realizate în acest mod.

Tipărirea 3D stereolitografică (SLA, DLP, LCD) utilizează lumina unei anumite benzi și formă pentru a iradia rășina fotosensibilă, iar rășina fotosensibilă se întărește strat după strat pentru a genera obiecte de forma dorită. Această tehnologie are o precizie ridicată de modelare și o suprafață netedă, fiind potrivită pentru realizarea de modele fine și piese mici.

Sinterizarea selectivă cu laser (SLS) utilizează un fascicul laser pentru a explora materiale sub formă de pulbere, topindu-le și unindu-le, acumulând strat după strat într-un obiect tridimensional. Această tehnologie utilizează pulbere ca material brut (de exemplu, nailon, pulbere metalică, pulbere ceramică etc.), are o precizie ridicată de modelare și este potrivită pentru fabricarea unor piese funcționale cu structuri complexe.

Topirea selectivă cu laser (SLM) dispune de o energie laser mai mare, similar cu sinterizarea selectivă cu laser (SLS), putând astfel topi complet pulberea metalică pentru a realiza prototipuri rapide de piese metalice. Această tehnologie utilizează frecvent pulbere metalică (de exemplu, aliaj de titan, oțel inoxidabil etc.) ca material de bază, poate imprima piese metalice de înaltă rezistență și precizie și este larg utilizată în domenii precum aviația și spațialul, medicina etc.

Tipărirea stereo cu jet de cerneală (3DP) utilizează materiale pulverulente (metalice sau nemetalice) și aditivi aderenți ca materii prime, construind fiecare componentă strat cu strat prin mecanismul de legare. Eșantioanele realizate prin această tehnologie de tipărire au aceeași culoare ca și produsul real, fiind în prezent o tehnologie de tipărire 3D color mai matură.

Fabricarea prin stratificare (LOM) utilizează materiale sub formă de foi subțiri (de exemplu, hârtie, folie plastică etc.) și adeziv cu topire la cald ca materii prime, acumulând obiectele necesare strat cu strat prin tăiere cu laser și lipire termică. Această tehnologie are o viteză rapidă de modelare și un cost redus al materialelor, fiind potrivită pentru realizarea de structuri mari și carcase.

Deși produsul realizat prin tehnologia de imprimare 3D are un grad ridicat de restaurare, este limitat de materiile prime utilizate pentru imprimare. Produsele imprimate în 3D sunt foarte fragile și se pot sparge ușor sub acțiunea forțelor externe. Atunci când astfel de produse sunt utilizate în scenarii care necesită performanțe mecanice ridicate, acestea par a fi puțin "neputincioase". Așadar, cum putem îmbunătăți "inima de sticlă" a produselor imprimate în 3D, astfel încât acestea să aibă un aspect plăcut al "pielii" și o "flexibilitate" care să nu se rupă ușor?

Pe data de 3 iulie 2024, cercetători chinezi au publicat un rezultat al cercetării privind elastomerii imprimați în 3D în revista Nature. Benzile elastice realizate cu această tehnologie pot fi întinse până la 9 ori lungimea lor proprie, iar rezistența maximă la tracțiune poate atinge 94,6 MPa, echivalentul a aproape 10 kilograme forță pe milimetru pătrat, demonstrând o rezistență și tenacitate extrem de mari.

"Reconcilierea" dintre viteza de formare și tenacitatea produselor finite

În procesul de imprimare 3D prin fotocurățare (SLA, DLP, LCD), creșterea eficienței producției necesită o viteză mai mare de modelare, ceea ce duce la o creștere a densității de reticulare a materialului și la o scădere a tenacității materialului în timpul procesului de vulcanizare. În cazul metodelor convenționale, odată cu creșterea tenacității materialului, va crește și vâscozitatea acestuia, ceea ce va duce la scăderea fluidității și la reducerea vitezei de modelare. Contradicția dintre viteza de modelare a imprimării 3D și tenacitatea produsului finit a reprezentat întotdeauna o problemă pentru întreaga industrie.

Cercetătorii chinezi au "reconciliat" aceste două contradicții. Cercetătorii au propus o strategie de imprimare etapizată și postprocesare, prin analizarea rășinii fotosensibile materie primă utilizată în imprimarea 3D prin fotocure, precum și prin demontarea procesului de imprimare. Cercetătorii au conceput un precursor DLP (digital light processing) al dimetacrilatului, care conține o legătură de uree dinamică și două grupări carboxilice pe lanțul principal. În timpul etapei de imprimare și modelare, acești componenți esențiali se află într-o stare "dormantă" și joacă un rol de întărire în etapa de postprocesare.

a. Obiecte imprimate în 3D și modificările dimensionale în timpul postprocesării; b. Performanța anti-punctură a baloanelor imprimate în 3D; c. Modelarea forței mecanice de puncturare; d-e. Test de ridicare a greutății cu un braț pneumatic imprimat în 3D. Sursa imaginii: Referința [1]

În timpul etapei de post-procesare la 90°C, legăturile de uree blocate din produsele imprimate 3D se disociază pentru a genera grupări izocianate, care, pe de o parte, formează legături amidice cu grupările carboxilice din lanțurile laterale, iar pe de altă parte reacționează cu apa adsorbită de acidul carboxilic pentru a forma legături de uree. Modificările legăturilor chimice din interiorul moleculelor conectează structura rețelei simple din material într-o structură de rețea interpenetrantă asemănătoare cu „mână în mână”, aducând mai multe legături de hidrogen și întărind structura internă a materialului. Exact datorită modificărilor structurii interne a materialului, produsele imprimate 3D au un spațiu de amortizare mai mare atunci când sunt deformate de forțe externe, asemănător efectului de absorbție a energiei în cazul unei coliziuni auto, ceea ce îmbunătățește rezistența la impact și la rupere a produsului și conferă o tenacitate mai ridicată.

Rezultatele experimentale arată că filmul realizat prin imprimare 3D utilizând un precursor DLP cu o grosime de doar 0,8 mm prezintă o performanță anti-punctură extrem de ridicată, permițându-i să reziste unei forțe de 74,4 Newton fără să se rupă. Chiar și în condiții de inflație la presiune ridicată, brațul pneumatic imprimat în 3D poate continua să prindă o minge de cupru care cântărește 70 de grame și are aripi ascuțite pe suprafață, fără să se rupă, ceea ce demonstrează tenacitatea ultra-ridicată și rezistența structurală a produselor realizate prin imprimare 3D.

Aplicare largă a elastomerilor imprimați în 3D

În domeniul echipamentelor sportive, elastomerii imprimați 3D oferă sportivilor echipamente personalizate și cu performanțe ridicate. De exemplu, tălpile personalizate și echipamentele de protecție folosesc proprietățile de absorbție a șocurilor și de susținere ale elastomerilor pentru a optimiza performanța sportivă a sportivilor și a îmbunătăți experiența de purtare. În special în sporturile extreme și în cele cu impact ridicat, materialele elastomerice imprimați 3D pot reduce semnificativ impactul asupra sportivilor în timpul exercițiilor și îi pot proteja articulațiile și mușchii de leziuni.

În domeniile automotive și aerospațial, elastomerii imprimați 3D sunt utilizați pentru componente esențiale precum piese ușoare de absorbție a șocurilor și garnituri. Aceste piese pot reduce greutatea și pot menține performanțe ridicate prin intermediul unor designuri structurale complexe.

În domeniul produselor electronice, difuzoare inteligente, brățări inteligente, funduri de telefon mobil și alte produse pot fi imprimate cu materiale elastomerice. Aceste produse nu doar că au o flexibilitate și elasticitate excelentă, ci oferă și o rezistență ridicată la uzură și durabilitate, putând satisface pe deplin nevoile variate ale consumatorilor în ceea ce privește aspectul și performanța produselor.

În domeniul fabricației industriale, tehnologia de imprimare 3D cu elastomeri este utilizată pentru a fabrica diverse tipuri de matrițe industriale, benzi transportoare și alte piese. Aceste piese trebuie să reziste la eforturi mecanice și vibrații mai mari, iar materialele elastomerice reprezintă o alegere ideală datorită elasticității și rezistenței excelente la oboseală. Fabricarea acestor piese prin tehnologie 3D poate nu numai să crească eficiența producției, dar și să reducă costurile de fabricație.

Apariția tehnologiei de imprimare 3D cu elastomeri a extins în mod suplimentar scenariile de utilizare ale produselor de imprimare 3D și a adus posibilități mai colorate vieții noastre.