Ang mga siyentipiko mula sa China ay nakagawa ng bagong pag-unlad sa paglutas ng "mga problema sa industriya" ng teknolohiya sa 3D printing!

Dahil sa mabilis na pag-unlad ng agham at teknolohiya ngayon, ang teknolohiya ng 3D printing ay kumalat sa lahat ng uri ng negosyo tulad ng malakas na hangin mula sa silangan. Mula sa mga kumplikadong at tumpak na mekanikal na bahagi hanggang sa mga modelo ng produkto na parang tunay, mula sa kahanga-hangang mga prototype ng arkitektura hanggang sa mga personalized na pang-araw-araw na kagamitan, ang teknolohiya ng 3D printing, na may walang katapusang kreatibidad at sapat na kakayahang umangkop, ay nagdala ng imahinasyon sa realidad, ginagawang mas madali ang buhay ng tao habang nagdudulot din sa amin ng mga sorpresa.

Prinsipyo ng pagpapatakbo ng teknolohiya ng 3D printing

ang teknolohiya ng 3D printing, na kilala rin bilang teknolohiya ng additive manufacturing, ay isang inobatibong paraan ng produksyon na nagtatayo ng tatlong dimensional na mga bagay sa pamamagitan ng pag-stack ng mga materyales nang nakakalayer. Ang prinsipyo nito ay katulad ng pagtatayo ng bahay na bato, na maaaring simpleng iisaayos bilang "paggawa nang nakakalayer, pag-stack nang nakakalayer."

Ang proseso ng 3D printing ay hindi kumplikado. Una, ginagawa o kinukuha ang digital model gamit ang computer-aided design software, at pagkatapos ay pinuputol ang model sa serye ng mga napakalambot na cross-sectional na layer (i.e., mga hiwa), kung saan ang kapal ng bawat hiwa ay karaniwang nasa pagitan ng sampu-sampung microns at daan-daang microns. Pagkatapos, batay sa impormasyon ng mga hiwahin ito, ang 3D printer ay nagtatayo ng huling bagay nang maliit na layer sa tulong ng tiyak na teknolohiya at mga materyales.

ang mga proseso ng 3D printing ay kinabibilangan ng fused deposition modeling (FDM), photo-stereolithography 3D printing (SLA, DLP, LCD), selective laser sintering (SLS), selective laser melting (SLM), stereo inkjet printing (3DP), at layer-by-layer manufacturing (LOM).

Ang fused deposition modeling (FDM) ay isang proseso kung saan ang mga filamentaryong thermoplastic na materyales ay pinainit at tinunaw sa pamamagitan ng isang nozzle, inilatag nang pa-layer sa isang platform, at sa huli ay nagbubuo ng isang three-dimensional na bagay. Ginagamit nang madalas ang teknolohiyang ito ng mga thermoplastic na materyales bilang hilaw na materyales, tulad ng acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), polylactic acid (PLA), at iba pa. Ito ay may mababang pangangailangan sa kagamitan at madaling gamitin, na angkop para sa mga indibidwal at maliit na studio. Ang mga popular kamakailan sa merkado ng laruan na "radish knife" at "telescopic sword" ay ginawa sa paraang ito.

Ang stereolithography 3D printing (SLA, DLP, LCD) ay gumagamit ng liwanag na may tiyak na band at hugis upang sikatin ang photosensitive resin, at ang photosensitive resin ay napatutunaw nang pa-layer upang mabuo ang mga bagay na may ninanais na hugis. Ang teknolohiyang ito ay may mataas na katiyakan sa pagmomold at magandang surface, at angkop sa paggawa ng mga detalyadong modelo at maliit na bahagi.

Ginagamit ng selective laser sintering (SLS) ang sinag ng laser para i-scan ang mga pulbos na materyales upang matunaw at maiugnay ang mga ito, na nag-aakumula nang nakalayer-layer upang mabuo ang isang three-dimensional na bagay. Ginagamit ng teknolohiyang ito ang pulbos bilang hilaw na materyales (tulad ng nilon, metal na pulbos, pulbos na ceramic, atbp.), may mataas na katiyakan sa pagmomold, at angkop sa pagmamanupaktura ng mga functional na bahagi na may kumplikadong istruktura.

May mas mataas na laser energy ang selective laser melting (SLM), na katulad ng selective laser sintering (SLS), at maaaring ganap na matunaw ang metal na pulbos upang makamit ang mabilis na prototyping ng mga metal na bahagi. Ginagamit ng teknolohiyang ito nang madalas ang metal na pulbos (tulad ng titanium alloy, stainless steel, atbp.) bilang hilaw na materyales, maaaring i-print ang mga metal na bahagi na may mataas na lakas at katiyakan, at malawakang ginagamit sa aerospace, medikal at iba pang larangan.

Ang Stereo inkjet printing (3DP) ay gumagamit ng pulbos na mga materyales (metal o di-metal) at mga pandikit bilang hilaw na materyales, at gumagamit ng bonding mechanism upang i-print ang bawat bahagi nang nakakalayer. Ang mga molded sample ng teknolohiyang ito ay may parehong kulay ng tunay na produkto, at kasalukuyang ito ay isang mas mature na color 3D printing technology.

Ang Laminated object manufacturing (LOM) ay gumagamit ng manipis na sheet materials (tulad ng papel, plastic film, etc.) at hot melt adhesive bilang hilaw na materyales, at pinipiling pinipiling pinupunla ang kailangang bagay nang nakakalayer sa pamamagitan ng laser cutting at thermal bonding. Ang teknolohiyang ito ay may mabilis na molding speed at mababang gastos sa materyales, at angkop sa paggawa ng malalaking istraktura at mga shell.

Bagama't ang produkto ng teknolohiyang 3D printing ay may mataas na antas ng pagbawi, ito ay limitado ng mga hilaw na materyales sa pag-print. Ang mga 3D na produkto ay sobrang mabrittle at madaling masira ng mga panlabas na puwersa. Kapag ginamit ang mga produktong ito sa mga sitwasyon na may mataas na mekanikal na pangangailangan, mukhang bahagyang "hindi sapat" ang mga ito. Kaya, paano mapapabuti ang "puso ng salamin" ng mga 3D na produkto upang magkaroon ito ng magandang "balat" at "saklaw" na hindi madaling masira?

Noong Hulyo 3, 2024, inilathala ng mga Tsinoong siyentipiko ang isang resulta ng pananaliksik tungkol sa mga elastomer na 3D printed sa journal na Nature. Ang mga goma na inihanda gamit ang teknolohiyang ito ay maaaring unat-unatin hanggang sa 9 na beses ang kanilang sariling haba, at ang pinakamataas na tensile strength ay maaaring umabot sa 94.6MPa, na katumbas ng halos 10 kilogramong bigat sa bawat square millimeter, na nagpapakita ng sobrang lakas at tibay.

"Pagkakaisa" sa pagitan ng bilis ng pagmomold at tibay ng mga tapos na produkto

Sa proseso ng photocuring na 3D printing (SLA, DLP, LCD), ang pagpapabuti ng kahusayan sa produksyon ay nangangailangan ng mas mabilis na bilis ng pagmomold, na nagdudulot ng pagtaas ng crosslinking density ng materyales at pagbaba ng lakas ng materyales sa proseso ng pagkakatuyo. Sa ilalim ng konbensiyonal na pamamaraan, habang tumataas ang lakas ng materyales, tataas din ang viscosity ng materyales, na magdudulot ng pagbaba ng daloy ng materyales at pagbaba ng bilis ng pagmomold. Ang pagkakasalungat sa pagitan ng bilis ng pagmomold ng 3D printing at lakas ng finished product ay laging nagiging problema sa buong industriya.

Ang mga siyentipiko mula sa Tsina ay nagtagumpay na "iayos" ang dalawang magkasalungat na isyu. Ang grupo ng mga mananaliksik ay nagmungkahi ng isang estratehiya ng pag-print at pagpoproseso sa mga yugto sa pamamagitan ng pagsusuri sa hilaw na materyales na photosensitive resin para sa photocuring 3D printing at pagbubukod ng proseso ng pag-print. Dinisenyo ng mga mananaliksik ang isang DLP (digital light processing) precursor ng dimethacrylate, na naglalaman ng dynamically hindered urea bond at dalawang carboxyl group sa pangunahing kadena. Sa panahon ng pag-print at pagmomoldeng yugto, ang mga susi sa komponent ay nasa "himpapawid" na estado at gumaganap ng pagpapalakas na papel sa yugto ng post-molding na pagpoproseso.

a. Mga 3D na nakaimprentang bagay at ang kanilang pagbabago ng sukat habang pinoproseso; b. Anti-puncture na pagganap ng 3D na nakaimprentang mga lobo; c. Pemodelo ng mekanikal na pwersa ng pagbuga; d-e. Pagsubok sa pag-angat ng timbang ng 3D na nakaimprentang pneumatic gripper. Pinagkunan ng larawan: Sanggunian [1]

Sa yugto ng post-processing sa 90°C, ang mga hindered urea bonds sa mga 3D naimprentang produkto ay nagdissosiate upang makagawa ng mga isocyanate group, na kung saan ay, sa isang banda, bumubuo ng amide bonds kasama ang mga carboxyl group sa side chain, at sa kabilang banda ay nakikipag-ugnayan sa tubig na na-adsorb ng carboxylic acid upang makabuo ng urea bonds. Ang mga pagbabago sa kemikal na mga ugnayan sa loob ng mga molekula ay nag-uugnay sa iisang network structure sa materyales at nagiging interpenetrating network structure na katulad ng "magkamay-kamay", nagdadala ng higit pang hydrogen bonds at pinapalakas ang internal na istraktura ng materyales. Ito ay eksakto dahil sa mga pagbabago sa internal na istraktura ng materyales kung kaya't ang mga 3D naimprentang produkto ay may mas malaking buffer space kapag binuksan ng mga panlabas na puwersa, katulad ng epekto ng energy absorption sa collision ng isang sasakyan, na nagpapabuti sa impact resistance at fracture resistance ng produkto at may mas mataas na tigas.

Ang mga resulta ng eksperimento ay nagpapakita na ang pelikulang ginawa sa pamamagitan ng 3D printing gamit ang DLP precursor na may kapal na 0.8 mm ay nagpapakita ng sobrang lakas na anti-puncture, na nagpapahintulot dito na umangal sa puwersa na 74.4 Newton nang hindi nababasag. Kahit sa ilalim ng mataas na presyon ng kondisyon ng pangit, ang 3D-printed pneumatic gripper ay maainda ring humawak ng isang tanso na bola na may bigat na 70 gramo na may matatalim na tinik sa ibabaw nito nang hindi nababasag, na nagpapakita ng sobrang lakas at lakas ng istraktura ng mga produkto na 3D-printed.

Malawakang aplikasyon ng 3D-printed elastomers

Sa larangan ng kagamitan sa palakasan, ang 3D-printed na elastomer ay nagbibigay ng mga personalized at mataas na kalidad na kagamitan para sa mga atleta. Halimbawa, ang mga pasadyang insoles at kagamitang pangprotekta ay gumagamit ng mga katangian ng elastomer na pagsipsip ng impact at suporta upang ma-optimize ang pagganap ng mga atleta sa palakasan at mapahusay ang kanilang karanasan sa paggamit. Lalo na sa mga ekstremong palakasan at mga palakasan na may mataas na impact, ang 3D-printed na mga materyales na elastomer ay maaaring makabuluhang bawasan ang impact sa mga atleta habang nag-eehersisyo at maprotektahan ang kanilang mga kasukasuan at kalamnan mula sa mga sugat.

Sa mga larangan ng automotive at aerospace, ang 3D-printed na elastomer ay ginagamit para sa mga mahahalagang bahagi tulad ng mga lightweight na bahagi na pumipigil ng impact at mga selyo. Ang mga bahaging ito ay maaaring mabawasan ang timbang at mapanatili ang mataas na pagganap sa pamamagitan ng mga kumplikadong disenyo ng istruktura.

Sa larangan ng mga elektronikong produkto, ang mga smart speaker, smart bracelet, case ng mobile phone at iba pang mga produkto ay maaaring i-print gamit ang mga materyales na elastomer. Ang mga produktong ito ay hindi lamang may mahusay na lambot at elastisidad, kundi nagtataglay din ng mataas na paglaban sa pagsusuot at tibay, na kayang tugunan ang maramihang pangangailangan ng mga konsyumer sa itsura at pagganap ng produkto.

Sa larangan ng pagmamanupaktura, ang teknolohiya ng 3D printing elastomer ay ginagamit sa paggawa ng iba't ibang industriyal na mold at mga bahagi tulad ng mga timing belt. Kailangang makatiis ang mga bahaging ito ng mas matinding mekanikal na stress at pag-vibrate, at ang mga materyales na elastomer ay naging perpektong pagpipilian dahil sa kanilang mahusay na elastisidad at paglaban sa pagkapagod. Ang paggawa ng mga bahaging ito sa pamamagitan ng teknolohiya ng 3D printing ay hindi lamang nagpapataas ng kahusayan sa produksyon, kundi nagbabawas din ng gastos sa pagmamanupaktura.

Ang paglitaw ng teknolohiya ng 3D printing elastomer ay lalong pinalawak ang mga senaryo ng paggamit ng mga produkto sa 3D printing at nagdala ng mas magkakaibang posibilidad sa ating mga buhay.