Ilmuwan Tiongkok telah membuat terobosan baru dalam memecahkan "masalah industri" teknologi pencetakan 3D!

Dengan pesatnya perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi saat ini, teknologi pencetakan 3D telah menyebar ke semua lapisan masyarakat seperti angin timur yang kencang. Dari bagian mekanis yang kompleks dan presisi hingga model produk yang nyata, dari prototipe arsitektur yang fantastis hingga kebutuhan sehari-hari yang dipersonalisasi, teknologi pencetakan 3D, dengan kreativitas yang tak ada habisnya dan fleksibilitas yang memadai, telah membawa imajinasi menjadi kenyataan, membuat hidup orang lebih nyaman sekaligus memberi kita kejutan.

Prinsip kerja teknologi pencetakan 3D

Teknologi pencetakan 3D, juga dikenal sebagai teknologi manufaktur aditif, adalah metode produksi inovatif yang membangun entitas tiga dimensi dengan menumpuk bahan lapis demi lapis. Prinsipnya mirip dengan membangun rumah bata, yang dapat diringkas sebagai "manufaktur berlapis, penumpukan lapis demi lapisan".

Proses pencetakan 3D tidak rumit. Pertama, model digital dibuat atau diperoleh melalui perangkat lunak desain berbantuan komputer, dan kemudian model tersebut dipotong menjadi serangkaian lapisan penampang yang sangat tipis (yaitu irisan), dan ketebalan setiap irisan biasanya antara puluhan mikron dan ratusan mikron. Kemudian, berdasarkan informasi irisan ini, printer 3D membangun objek akhir lapis demi lapis melalui teknologi dan bahan tertentu.

Proses pencetakan 3D meliputi pemodelan deposisi leburan (FDM), pencetakan 3D foto-stereolitografi (SLA, DLP, LCD), sintering laser selektif (SLS), peleburan laser selektif (SLM), pencetakan inkjet stereo (3DP), dan manufaktur lapis demi lapis (LOM).

Pemodelan pengendapan lebur (FDM) adalah proses di mana bahan termoplastik filamen dipanaskan dan dilebur melalui nosel, diendapkan lapis demi lapis pada platform, dan akhirnya dipadatkan menjadi objek tiga dimensi. Teknologi ini sering menggunakan bahan termoplastik sebagai bahan baku, seperti kopolimer akrilonitril-butadiena-stirena (ABS), asam polilaktat (PLA), dll. Ini memiliki persyaratan peralatan yang rendah dan mudah dioperasikan, cocok untuk individu dan studio kecil. "Pisau lobak" dan "pedang teleskopik" yang populer di pasar mainan baru-baru ini dibuat dengan cara ini.

Pencetakan 3D stereolitografi (SLA, DLP, LCD) menggunakan cahaya dari pita dan bentuk tertentu untuk menyinari resin fotosensitif, dan resin fotosensitif diawetkan lapis demi lapis untuk menghasilkan objek dengan bentuk yang diinginkan. Teknologi ini memiliki akurasi pencetakan yang tinggi dan permukaan yang halus, dan cocok untuk membuat model halus dan bagian-bagian kecil.

Sintering laser selektif (SLS) menggunakan sinar laser untuk memindai bahan bubuk untuk melelehkan dan mengikatnya bersama-sama, mengumpulkan lapisan demi lapisan menjadi objek tiga dimensi. Teknologi ini menggunakan bubuk sebagai bahan baku (seperti nilon, bubuk logam, bubuk keramik, dll.), Memiliki akurasi pencetakan yang tinggi, dan cocok untuk pembuatan bagian fungsional dengan struktur yang kompleks.

Peleburan laser selektif (SLM) memiliki energi laser yang lebih tinggi, mirip dengan sintering laser selektif (SLS), dan dapat sepenuhnya melelehkan bubuk logam untuk mencapai pembuatan prototipe cepat dari bagian logam. Teknologi ini sering menggunakan bubuk logam (seperti paduan titanium, baja tahan karat, dll.) sebagai bahan baku, dapat mencetak bagian logam berkekuatan tinggi, presisi tinggi, dan banyak digunakan di bidang kedirgantaraan, medis, dan lainnya.

Pencetakan inkjet stereo (3DP) menggunakan bahan bubuk (logam atau non-logam) dan perekat sebagai bahan baku, dan menggunakan mekanisme ikatan untuk mencetak setiap komponen lapis demi lapis. Sampel cetakan dari teknologi pencetakan ini memiliki warna yang sama dengan produk sebenarnya, dan saat ini merupakan teknologi pencetakan 3D warna yang lebih matang.

Pembuatan objek laminasi (LOM) menggunakan bahan lembaran tipis (seperti kertas, film plastik, dll.) dan perekat lelehan panas sebagai bahan baku, dan mengakumulasi objek yang diperlukan lapis demi lapis melalui pemotongan laser dan ikatan termal. Teknologi ini memiliki kecepatan pencetakan yang cepat dan biaya material yang rendah, dan cocok untuk membuat struktur dan cangkang yang besar.

Meskipun produk teknologi pencetakan 3D memiliki tingkat restorasi yang tinggi, produk ini dibatasi oleh bahan baku pencetakan. Produk cetak 3D sangat rapuh dan mudah rusak oleh kekuatan eksternal. Ketika produk semacam itu digunakan dalam skenario dengan persyaratan kinerja mekanis yang tinggi, mereka akan tampak agak "tidak mampu". Jadi, bagaimana cara meningkatkan "jantung kaca" produk cetak 3D, sehingga memiliki "kulit" dan "fleksibilitas" yang tampan yang tidak mudah pecah?

Pada 3 Juli 2024, para ilmuwan Tiongkok menerbitkan hasil penelitian tentang elastomer cetak 3D di jurnal Nature. Karet gelang yang disiapkan menggunakan teknologi ini dapat diregangkan hingga 9 kali panjangnya sendiri, dan kekuatan tarik maksimum dapat mencapai 94,6MPa, yang setara dengan 1 milimeter persegi dapat menahan hampir 10 kilogram gravitasi, menunjukkan kekuatan dan ketangguhan super tinggi.

"Rekonsiliasi" antara kecepatan pencetakan dan ketangguhan produk jadi

Dalam proses pencetakan 3D photocuring (SLA, DLP, LCD), meningkatkan efisiensi produksi membutuhkan kecepatan pencetakan yang lebih cepat, yang mengarah pada peningkatan kepadatan ikatan silang material dan penurunan ketangguhan material selama proses pengawetan. Di bawah metode konvensional, sementara ketangguhan material meningkat, viskositas material juga akan meningkat, yang akan menyebabkan penurunan fluiditas dan penurunan kecepatan cetakan. Kontradiksi antara kecepatan pencetakan pencetakan 3D dan ketangguhan produk jadi selalu mengganggu seluruh industri.

Ilmuwan Tiongkok telah "mendamaikan" kedua kontradiksi ini. Para peneliti mengusulkan strategi untuk pencetakan bertahap dan pasca-pemrosesan dengan menganalisis resin fotosensitif bahan baku pencetakan 3D photocuring dan membongkar proses pencetakan. Para peneliti merancang prekursor DLP (pemrosesan cahaya digital) dari dimethacrylate, yang mengandung ikatan urea yang terhambat secara dinamis dan dua gugus karboksil pada rantai utama. Selama tahap pencetakan dan pencetakan, komponen utama ini berada dalam keadaan "tidak aktif" dan memainkan peran yang lebih keras dalam tahap pemrosesan pasca-pencetakan.

a. 3D objek cetak dan perubahan dimensinya selama pasca-pemrosesan; b. Kinerja anti-tusukan balon cetak 3D; c. Pemodelan gaya tusukan mekanis; D-E. Uji angkat berat gripper pneumatik cetak 3D. Sumber gambar: Referensi [1]

Selama tahap pasca-pemrosesan pada 90°C, ikatan urea yang terhalang dalam produk cetak 3D berdisosiasi untuk menghasilkan gugus isosianat, yang di satu sisi membentuk ikatan amida dengan gugus karboksil rantai samping, dan di sisi lain bereaksi dengan air yang teradsorpsi oleh asam karboksilat untuk membentuk ikatan urea. Perubahan ikatan kimia di dalam molekul menghubungkan struktur jaringan tunggal dalam material menjadi struktur jaringan yang saling menembus yang mirip dengan "bergandengan tangan", membawa lebih banyak ikatan hidrogen dan memperkuat struktur internal material. Justru karena perubahan struktur internal material, produk cetak 3D memiliki ruang penyangga yang lebih besar ketika diubah bentuk oleh gaya eksternal, mirip dengan efek penyerapan energi dari tabrakan kendaraan, yang meningkatkan ketahanan benturan dan ketahanan fraktur produk dan memiliki ketangguhan yang lebih tinggi.

Hasil eksperimen menunjukkan bahwa film yang dibuat dengan pencetakan 3D menggunakan prekursor DLP dengan ketebalan hanya 0,8 mm menunjukkan kinerja anti-tusukan yang sangat kuat, memungkinkannya menahan gaya 74,4 Newton tanpa putus. Bahkan dalam kondisi inflasi bertekanan tinggi, gripper pneumatik cetak 3D masih dapat mengambil bola tembaga seberat 70 gram dengan duri tajam di permukaan tanpa putus, yang menunjukkan ketangguhan ultra-tinggi dan kekuatan struktural dari produk cetak 3D.

Aplikasi luas elastomer cetak 3D

Di bidang peralatan olahraga, elastomer cetak 3D menyediakan peralatan berkinerja tinggi yang dipersonalisasi bagi para atlet. Misalnya, sol dan peralatan pelindung yang disesuaikan menggunakan sifat penyerap guncangan dan pendukung elastomer untuk mengoptimalkan kinerja olahraga atlet dan meningkatkan pengalaman pemakaian. Terutama dalam olahraga ekstrem dan olahraga berdampak tinggi, bahan elastomer cetak 3D dapat secara signifikan mengurangi dampak pada atlet selama berolahraga dan melindungi sendi dan otot mereka dari cedera.

Di bidang otomotif dan kedirgantaraan, elastomer cetak 3D digunakan untuk komponen utama seperti suku cadang dan segel penyerap goncangan yang ringan. Bagian-bagian ini dapat mengurangi berat dan mempertahankan kinerja tinggi melalui desain struktural yang kompleks.

Di bidang produk elektronik, speaker pintar, gelang pintar, casing ponsel, dan produk lainnya dapat dicetak dengan bahan elastomer. Produk-produk ini tidak hanya memiliki kelembutan dan elastisitas yang sangat baik, tetapi juga memiliki ketahanan aus dan daya tahan yang tinggi, yang dapat memenuhi kebutuhan konsumen yang beragam untuk penampilan dan kinerja produk.

Di bidang manufaktur industri, teknologi elastomer pencetakan 3D digunakan untuk memproduksi berbagai cetakan industri dan sabuk transmisi dan bagian lainnya. Bagian-bagian ini harus menahan tekanan dan getaran mekanis yang lebih besar, dan bahan elastomer adalah pilihan ideal dengan elastisitas dan ketahanan lelahnya yang sangat baik. Memproduksi bagian-bagian ini melalui teknologi pencetakan 3D tidak hanya dapat meningkatkan efisiensi produksi, tetapi juga mengurangi biaya produksi.

Munculnya teknologi elastomer pencetakan 3D telah semakin memperluas skenario penggunaan produk pencetakan 3D dan membawa kemungkinan yang lebih berwarna dalam hidup kita.