Čínski vedci dosiahli nový prelom v riešení „priemyselných problémov“ technológie 3D tlače!

Vďaka rýchlemu rozvoju vedy a techniky sa technológia 3D tlače rozšírila do všetkých oblastí života ako silný východný vietor. Od zložitých a presných mechanických súčastí až po realistické modely produktov, od fantastických architektonických prototypov až po personalizované denné potreby, technológia 3D tlače priniesla predstavivosť do reality pomocou nekonečnej kreativity a dostatočnej flexibility, čím spravila ľudský život pohodalnejším a zároveň priniesla prekvapenia.

Princíp fungovania technológie 3D tlače

technológia 3D tlače, známa aj ako technológia aditívnej výroby, je inovatívna výrobná metóda, ktorá vytvára trojrozmerné objekty postupným vrstvením materiálu. Jej princíp je podobný ako pri stavbe tehlovej budovy a môže byť jednoducho opísaný ako „výroba vrstvami, postupné vrstvenie“.

Proces 3D tlače nie je komplikovaný. Najprv sa vytvorí alebo získa digitálny model pomocou softvéru na počítačový návrh (CAD), potom sa model rozreže na sériu veľmi tenkých prierezových vrstiev (tzv. slice), pričom hrúbka každého rezu je zvyčajne medzi desiatkami mikrónov a stovkami mikrónov. Následne 3D tlačiareň na základe týchto informácií o rezoch postupne vytvára finálny objekt vrstva po vrstve pomocou konkrétnej technológie a materiálov.

medzi procesy 3D tlače patria fused deposition modeling (FDM), foto-stereolitografická 3D tlač (SLA, DLP, LCD), selektívne laserové spekanie (SLS), selektívne laserové tavenie (SLM), stereolitografická inkjetová tlač (3DP) a vrstvená výroba (LOM).

Fused deposition modeling (FDM) je proces, pri ktorom sa vláknité termoplastické materiály zahrievajú a taví cez trysku, následne nanášajú po vrstvách na platformu a nakoniec tuhne do tvaru trojrozmerného objektu. Táto technológia často využíva termoplastické materiály ako suroviny, napríklad akrylonitril-butadién-styrénový kopolymér (ABS), kyselina mliečna (PLA) a podobne. Má nízke nároky na zariadenie a je ľahko ovládateľná, vhodná pre jednotlivcov a malé štúdiá. Hračky ako napríklad „reďkový nôž“ a „teleskopický meč“, ktoré sú nedávno populárne na trhu s hračkami, sú vyrábané týmto spôsobom.

Stereolitografické 3D tlačovanie (SLA, DLP, LCD) využíva svetlo určitého spektra a tvaru na ožarovovanie svetelnej pryskyrivice, ktorá sa vytvrdzuje po vrstvách a vytvára objekty požadovaného tvaru. Táto technológia má vysokú presnosť vytvárania tvaru a hladký povrch, je vhodná na výrobu jemných modelov a malých súčastí.

Selektívne laserové spekanie (SLS) využíva laserový lúč, ktorým skenuje práškové materiály, aby ich roztavil a spojil dokopy, pričom sa postupne vytvára trojrozmerný objekt. Táto technológia využíva prášok ako surový materiál (napr. nylon, kovový prášok, keramický prášok), má vysokú presnosť vytvárania modelov a je vhodná na výrobu funkčných súčastí s komplexnou štruktúrou.

Selektívne laserové tavenie (SLM) využíva vyššiu laserovú energiu, podobne ako selektívne laserové spekanie (SLS), a dokáže úplne roztaviť kovový prášok, čím umožňuje rýchlu výrobu prototypov kovových súčastí. Táto technológia často využíva kovový prášok (napr. titanovú zliatinu, nehrdzavejúcu oceľ) ako surový materiál, dokáže vytlačiť kovové súčiastky s vysokou pevnosťou a presnosťou a široko sa používa v leteckom, lekárskom a iných odvetviach.

Stereo inkjetové tlačovanie (3DP) využíva práškové materiály (kovové alebo nekovové) a lepidlá ako suroviny a pomocou mechanizmu zlučovania vytvára jednotlivé súčiastky po vrstvách. Vytlačené vzorky tejto tlačovej technológie majú rovnakú farbu ako skutočný výrobok a momentálne ide o vyspelejšiu technológiu farebného 3D tlačovania.

Výroba laminovaných objektov (LOM) využíva tenké doskové materiály (napr. papier, plastová fólia atď.) a horúčim lepidlom ako suroviny a požadované objekty sa postupne vytvárajú pomocou laserového rezu a tepelného zlievania. Táto technológia má rýchlu výrobnú rýchlosť a nízku cenu materiálu, je vhodná na výrobu veľkých konštrukcií a skriniek.

Hoci produkt technológie 3D tlače má vysokú mieru obnovy, je obmedzený tlačovými surovinami. Výrobky vytlačené na 3D tlačiarni sú veľmi krehké a ľahko sa poškodia vonkajšími silami. Keď sa takéto výrobky použijú v scenároch s vysokými nárokmi na mechanický výkon, ukážu sa ako dosť "nepoužiteľné". Ako teda zlepšiť "sklenené srdce" výrobkov z 3D tlače, aby mali estetický "kožušinový" vzhľad a "pružnosť", ktorá sa ľahko nerozbije?

3. júla 2024 zverejnili čínski vedci v časopise Nature výsledok výskumu týkajúci sa elastomérov vytlačených na 3D tlačiarni. Gumičky pripravené touto technológiou možno natiahnuť až na deväťnásobok ich vlastnej dĺžky a maximálna pevnosť v ťahu môže dosiahnuť 94,6 MPa, čo zodpovedá ploche 1 mm², ktorá vydrží takmer 10 kg gravitácie, čím preukazujú mimoriadnu pevnosť a húževnatosť.

"Rekonciliácia" medzi rýchlosťou formovania a húževnatosťou výsledných výrobkov

Pri procese fotokatalytickej 3D tlače (SLA, DLP, LCD) vyžaduje zvýšenie výrobného výkonu rýchlejšiu rýchlosť formovania, čo vedie k nárastu retiazacej hustoty materiálu a zníženiu húževnatosti materiálu počas procesu vulkanizácie. Pri bežných metódach, zatiaľ čo húževnatosť materiálu stúpa, viskozita materiálu tiež stúpa, čo spôsobí pokles tokových vlastností a zníženie rýchlosti formovania. Rozpor medzi rýchlosťou formovania pri 3D tlači a húževnatosťou hotového výrobku už roky trápi celý priemysel.

Čínski vedci dokázali "zmieriť" tieto dve protiklady. Výskumnici navrhli stratégiu postupného tlačenia a následného spracovania po analýze suroviny – fotocitlivej pryskyrivice – používanej pri fotokatalytickej 3D tlači, pričom dekomponovali samotný proces tlačenia. Výskumnici navrhli DLP (digital light processing) prekurzor dimetakrylátu, ktorý obsahuje dynamicky bránenú močovinovú väzbu a dve karboxylové skupiny v hlavnom reťazci. Počas fázy tlačenia a formovania sú tieto kľúčové zložky v "spiacom" stave a v následnej fáze spracovania po formovaní zohrávajú posilňujúcu úlohu.

a. 3D vytlačené objekty a ich rozmery počas následného spracovania; b. Odolnosť proti prepichnutiu 3D vytlačených balónov; c. Modelovanie mechanickej prepichovacej sily; d-e. Test zdvihu váhy 3D vytlačeného pneumatického upínača. Zdroj obrázka: Referencia [1]

Počas štádia postspracovania pri 90 °C sa vytvorené 3D tlačené výrobky s obmedzenými močovinovými väzbami disociujú za vzniku izokyanátových skupín, ktoré jednak vytvárajú amidové väzby s karboxylovými skupinami postranného reťazca a jednak reagujú s vodou adsorbovanou karboxylovou kyselinou za vzniku močovinových väzieb. Zmeny chemických väzieb vo vnútri molekúl spájajú jednotlivú sieťovú štruktúru v materiáli do interpenetračnej sieťovej štruktúry podobnej „ruka v ruke“, čo prináša viac vodíkových väzieb a posilňuje vnútornú štruktúru materiálu. Práve vďaka zmenám vo vnútornom usporiadaní materiálu majú 3D tlačené výrobky väčší tlmiaci priestor pri deformácii vonkajšími silami, podobne ako pri účinkoch absorpcie energie pri náraze vozidla, čo zlepšuje odolnosť výrobku proti nárazom a lomu a zároveň má vyššiu húževnatosť.

Výsledky experimentov ukazujú, že film pripravený pomocou 3D tlače s využitím DLP predlohy s hrúbkou len 0,8 mm vykazuje mimoriadne silnú odolnosť proti prepichnutiu, čo mu umožňuje vydržať silu 74,4 Newtona bez poškodenia. Dokonca aj za podmienok vysokotlakového nafukovania môže 3D-tlačený pneumatický čap môcť uchopiť medenú guľu s hmotnosťou 70 gramov, ktorá má na povrchu ostré bodové výčnelky, bez poškodenia, čo preukazuje ultra vysokú húževnatosť a štruktúrnu pevnosť 3D-tlačených výrobkov.

Široké uplatnenie 3D-tlačených elastomérov

V oblasti športového vybavenia elastoméry vytlačené na 3D poskytujú športovcom personalizované vybavenie s vysokým výkonom. Napríklad výnimočné podrážky a ochranné pomôcky využívajú tlmenie nárazov a podporné vlastnosti elastomérov na optimalizáciu športového výkonu a zvýšenie pohodlia pri nosení. Obzvlášť v extrémnych športoch a športoch s vysokým nárazom môžu materiály z elastomérov vytlačených na 3D výrazne znížiť dopad na telo športovca počas cvičenia a chrániť ich kĺby a svaly pred zraneniami.

V automobilovom a leteckom priemysle sa elastoméry vytlačené na 3D používajú na kľúčové komponenty, ako sú ľahké tlmiace diely a tesnenia. Tieto diely môžu znížiť hmotnosť a zároveň udržať vysoký výkon pomocou komplexných konštrukčných návrhov.

V oblasti elektronických produktov možno pri výrobe inteligentných reproduktorov, inteligentných náramkov, ochranných púzdier pre mobilné telefóny a iných produktov použiť tlač elastomérovymi materiálmi. Tieto produkty nielenže disponujú vynikajúcou mäkkosťou a pružnosťou, ale zároveň vyso­kou odolnosťou proti opotrebeniu a trvanlivosťou, čo spĺňa rôznorodé požiadavky spotrebiteľov na vzhľad a výkon produktov.

V oblasti priemyselnej výroby sa technológia 3D tlače elastomérov využíva na výrobu rôznych priemyselných foriem, prenosových pásov a iných súčiastok. Tieto súčiastky musia odolávať väčším mechanickým namáhaniam a vibráciám, pričom elastomérové materiály s vynikajúcou pružnosťou a odolnosťou proti únave sú ideálnou voľbou. Výroba týchto súčiastok prostredníctvom technológie 3D tlače môže nielen zvýšiť efektivitu výroby, ale aj znížiť výrobné náklady.

Zavedenie technológie 3D tlače elastomérov rozšírilo scénare použitia produktov z 3D tlače a prinieslo do našich životov bohatšie a farebnejšie možnosti.