Kitajski znanstveniki so dosegli nov preboj pri reševanju »industrijskih problemov« tehnologije 3D tiskanja!

V današnjem hitro razvijanem znanstvenem in tehničnem razvoju se je tehnologija 3D tiskanja razširila po vseh panilih kot močan vzhodni veter. Od kompleksnih in natančnih mehanskih delov do realističnih modelov izdelkov, od fantastičnih arhitekturnih prototipov do personaliziranih vsakodnevnih potrebščin – tehnologija 3D tiskanja s svojo neizčrpno kreativnostjo in zadostno fleksibilnostjo pretvarja domišljijo v resničnost, kar poenostavlja ljudje življenje in prinaša presenečenja.

Načelo delovanja tehnologije 3D tiskanja

tehnologija 3D tiskanja, imenovana tudi tehnologija aditivne proizvodnje, je inovativna proizvodna metoda, ki gradi tridimenzionalne objekte s postopnim nanosom materialov. Njeno načelo je podobno gradnji opečne hiše in ga lahko preprosto povzamemo kot »izdelava v slojih, postopno nanos slojev«.

Proces 3D tiskanja ni zapleten. Najprej se ustvari ali pridobi digitalni model z uporabo programske opreme za računalniško oblikovanje, nato pa se model razreže v serijo zelo tanke prečne plasti (tj. rezine), debelina vsake rezine pa je običajno med desetinami mikronov in stotinami mikronov. Nato, na podlagi teh informacij o rezinah, 3D tiskalnik s pomočjo določene tehnologije in materialov postopoma izdeluje končni predmet plast po plast.

v procese 3D tiskanja spadajo modeliranje z odprtanjem taline (FDM), fotostereolitografsko 3D tiskanje (SLA, DLP, LCD), selektivno lasersko sintetiziranje (SLS), selektivno lasersko taljenje (SLM), stereoinkjetno tiskanje (3DP) in proizvodnja plast po plast (LOM).

Fuzijsko modeliranje (FDM) je postopek, pri katerem se nitaste termoplastične materiale segreje in stopi skozi šobo, nanese plast po plast na platformo in končno strdi v tridimenzionalni objekt. Ta tehnologija pogosto uporablja termoplastične materiale kot surovine, kot so akrilonitril-butadien-stiren kopolimer (ABS), polimerno mlečno kislino (PLA) itd. Ima nizke zahteve glede opreme in je enostavna za uporabo, primerna za posameznike in majhne studie. "Repiševa pištola" in "teleskopski meč", ki sta nedavno postala priljubljena na trgu z igračkami, sta izdelana na ta način.

Stereolitografsko 3D tiskanje (SLA, DLP, LCD) uporablja svetlobo določenega pasu in oblike za osvetljevanje svetloobčutljivega smola, ki se strdi plast po plast, da se ustvari objekt želene oblike. Ta tehnologija ima visoko natančnost modeliranja in gladko površino, primerno za izdelavo finih modelov in majhnih delov.

Selektivno lasersko sintetiziranje (SLS) uporablja laserski žarek za skeniranje prahovatih materialov, da jih stali in poveže skupaj, pri čemer se postopoma nakopiči v tridimenzionalni objekt. Ta tehnologija za surovino uporablja prah (npr. nilon, kovinski prah, keramični prah itd.), ima visoko natančnost modelovanja in je primerna za izdelavo funkcionalnih delov s kompleksnimi strukturami.

Selektivno lasersko taljenje (SLM) ima višjo lasersko energijo, podobno kot selektivno lasersko sintetiziranje (SLS), in lahko popolnoma stali kovinski prah, s čimer omogoča hitro izdelavo prototipov kovinskih delov. Ta tehnologija pogosto za surovino uporablja kovinski prah (npr. titanove zlitine, nehrinjača jekla itd.), lahko natisne visoko trdne in natančne kovinske dele ter se pogosto uporablja v letalski, medicinski in drugih panogah.

Stereo inkjet tiskanje (3DP) uporablja prahaste materiale (kovinske ali nekovinske) in lepila kot surovine ter s pomočjo vezavnega mehanizma iz tiskanih plasti postopoma ustvarja vsako komponento. Izdelki, izdelani z to tiskalno tehnologijo, imajo enako barvo kot dejanski izdelek, in je trenutno bolj zrela tehnologija barvnega 3D tiskanja.

Proizvodnja laminiranih objektov (LOM) uporablja tanke pločevine (kot so papir, plastična folija itd.) in toplo lepilo kot surovine ter s postopnim laserskim rezanjem in toplotnim lepljenjem postopoma nabira potrebne objekte. Ta tehnologija omogoča hitro modeliranje in ima nizke stroške materiala, zato je primerna za izdelavo večjih konstrukcij in ohišij.

Čeprav ima izdelek s 3D tiskalno tehnologijo visoko stopnjo obnovitve, je omejen z tiskalnimi surovinami. 3D natisnjeni izdelki so zelo krhki in se zaradi zunanje sile zlahka zlomijo. Ko se takšni izdelki uporabljajo v okoljih z visokimi zahtevami glede mehanskega delovanja, se zdi, da so nekoliko "nezmogljivi". Kako torej izboljšati "stekleno srce" 3D natisnjenih izdelkov, da bodo imeli lep videz "kože" in "prilagodljivost", ki se ne zlomi?

3. julija 2024 so kitajski znanstveniki v reviji Nature objavili raziskovalni rezultat o 3D elastomerih. Gume, pripravljene z uporabo te tehnologije, se lahko raztegnejo do devetkrat svoje lastne dolžine, največja vlečna trdnost pa lahko znaša 94,6 MPa, kar ustreza površini 1 kvadratni milimeter, ki zmore skoraj 10 kilogramov teže, kar kaže na izjemno visoko trdnost in togost.

"Rešitev" med hitrostjo oblikovanja in togostjo končnih izdelkov

Pri postopku fotopolimerizacije v 3D tiskanju (SLA, DLP, LCD) zahteva povečanje učinkovitosti proizvodnje hitrejšo hitrost modeliranja, kar vodi v povečanje stopnje umreženosti materiala in zmanjšanje žilavosti materiala v procesu utrjevanja. Pri konvencionalnih metodah, medtem ko žilavost materiala narašča, se hkrati poveča tudi viskoznost materiala, kar vodi v zmanjšanje tekočnosti in zmanjšanje hitrosti modeliranja. Proturječje med hitrostjo modeliranja pri 3D tiskanju in žilavostjo končnega izdelka je vedno mučilo celotno industrijo.

Kitajski znanstveniki sta »pomirila« ti dve protislovji. Raziskovalca sta predlagala strategijo faznega tiskanja in naknadne obdelave z analizo osnovnega fotosenzitivnega smola za fotopolimerizacijo pri 3D tiskanju ter razstavila proces tiskanja. Raziskovalca sta zasnovala DLP (digital light processing) prekursor dimetakrilata, ki vsebuje dinamično zaščiteni sečni mostiček in dve karboksilni skupini na glavni verigi. V fazi tiskanja in oblikovanja so ti ključni komponenti v »dormantnem« stanju, v fazi naknadne obdelave pa imajo utrdilni učinek.

a. 3D natisnjeni predmeti in njihove dimenzijske spremembe med naknadno obdelavo; b. Protibodna zmogljivost 3D natisnjenih balončkov; c. Modeliranje mehanske prebodne sile; d-e. Test dviganja uteži s 3D natisnjenim pnevmatskim prijemalom. Vir slike: Vir [1]

V postprocesni fazi pri 90 °C se v 3D natisnjenih izdelkih prekinijo zavirane sečnine vezi, da nastanejo izocianatne skupine, ki oziroma s stransko verigo karboksilnih skupin tvorijo amidne vezi, po drugi strani pa reagirajo z vodo, ki jo kisline vežejo, in tvorijo sečninaste vezi. Spremembe kemijskih vezi znotraj molekul povežejo enojno mrežno strukturo v materialu v medsebojno prepleteno mrežno strukturo, podobno kot pri »družabnem rokovanju«, kar prinese več vodikovih vezi in utrdi notranjo strukturo materiala. Prav zaradi sprememb notranje strukture materiala imajo 3D natisnjeni izdelki večji amortizacijski prostor ob deformaciji zaradi zunanjih sil, kar je podobno absorpciji energije pri trku vozila, kar izboljša udarno in lomno odpornost izdelka ter ima višjo žilavost.

Eksperimentalni rezultati kažejo, da film, pripravljen z 3D tiskanjem s pomočjo DLP prekurzorja z debelino le 0,8 mm, kaže izjemno močno odpornost proti prebadanju, kar omogoča, da prenese silo 74,4 N brez pretrganja. Tudi v pogojih visokega tlaka 3D natisnjeni pnevmatski prijemni mehanizem še vedno lahko prijame bakreno kroglico z maso 70 gramov, ki ima na površini ostre bodike, ne da bi se poškodoval, kar dokazuje ultra visoko togost in strukturno trdnost 3D natisnjenih izdelkov.

Široka uporaba 3D natisnjenih elastomerov

Na področju športne opreme omogočajo 3D natisnjeni elastomeri športnikom prilagojeno, visoko zmogljivo opremo. Na primer, prilagojene vložke in zaščitno opremo izkoristijo dušilne in podporno lastnost elastomerov, da optimizirajo športno zmogljivost športnikov in izboljšajo udobje nositve. Zlasti pri ekstremnih športih in športih z visokim vplivom lahko 3D natisnjeni elastomerni materiali znatno zmanjšajo vpliv na športnike med vadbo ter zaščitijo sklep in mišic pred poškodbami.

Na področju avtomobilske in letalske industrije se 3D natisnjeni elastomeri uporabljajo za ključne komponente, kot so lahke dušilne dele in tesnila. Te komponente lahko zmanjšajo težo in ohranijo visoko zmogljivost s pomočjo kompleksnih strukturnih konstrukcij.

Na področju elektronskih izdelkov je mogoče pametne zvočnike, pametne trakove, pokrovčke za mobilne telefone in druge izdelke izdelati z elastomernimi materiali. Ti izdelki imajo ne samo odlično mehakost in elastičnost, temveč tudi visoko odpornost proti obrabi in vzdržljivost, kar omogoča izpolnjevanje večplastnih potreb uporabnikov za videz in zmogljivostjo izdelkov.

Na področju industrijske proizvodnje se tehnologija 3D tiskanja elastomerov uporablja za izdelavo različnih industrijskih pripomočkov, prenosnih trakov in drugih delov. Te komponente morajo prenašati večje mehanske napetosti in vibracije, zato so elastomerni materiali zaradi svoje odlične elastičnosti in odpornosti proti utrujenosti idealna izbira. Proizvodnja teh delov z 3D tiskalno tehnologijo ne poveča samo učinkovitosti proizvodnje, temveč zmanjša tudi stroške izdelave.

Pojav tehnologije 3D tiskanja elastomerov je nadaljnje razširil uporabna področja 3D tiskanih izdelkov ter prinesel barvitejše možnosti v naše življenje.