Chinese wetenschappers hebben een nieuwe doorbraak bereikt in het oplossen van de "industriële problemen" van 3D-printtechnologie!

Met de snelle ontwikkeling van wetenschap en technologie van vandaag, heeft de 3D-printtechnologie zich als een sterke oostenwind over alle lagen van de bevolking verspreid. Van complexe en precieze mechanische onderdelen tot levensechte productmodellen, van fantastische architecturale prototypes tot gepersonaliseerde dagelijkse benodigdheden, 3D-printtechnologie, met zijn eindeloze creativiteit en voldoende flexibiliteit, heeft de verbeelding tot de verbeelding gebracht, het leven van mensen gemakkelijker gemaakt en ons ook verrassen.

Werkingsprincipe van 3D-printtechnologie

3D-printtechnologie, ook wel additive manufacturing-technologie genoemd, is een innovatieve productiemethode die driedimensionale entiteiten bouwt door materialen laag voor laag te stapelen. Het principe is vergelijkbaar met dat van het bouwen van een bakstenen huis, wat eenvoudig kan worden samengevat als "gelaagde productie, laag voor laag stapelen".

Het 3D-printproces is niet ingewikkeld. Eerst wordt een digitaal model gemaakt of verkregen met behulp van computerondersteunde ontwerpsoftware, en vervolgens wordt het model in een reeks zeer dunne dwarsdoorsnedelagen (d.w.z. plakjes) gesneden, en de dikte van elke plak is meestal tussen tientallen microns en honderden microns. Vervolgens bouwt de 3D-printer op basis van deze segmentinformatie het uiteindelijke object laag voor laag op door middel van specifieke technologie en materialen.

3D-printprocessen omvatten fused deposition modeling (FDM), fotostereolithografie 3D-printen (SLA, DLP, LCD), selectief lasersinteren (SLS), selectief lasersmelten (SLM), stereo inkjetprinten (3DP) en laag-voor-laag productie (LOM).

Fused deposition modeling (FDM) is een proces waarbij filamentaire thermoplastische materialen worden verwarmd en gesmolten door een mondstuk, laag voor laag op een platform worden afgezet en uiteindelijk worden gestold tot een driedimensionaal object. Deze technologie maakt vaak gebruik van thermoplastische materialen als grondstof, zoals acrylonitril-butadieen-styreen copolymeer (ABS), polymelkzuur (PLA), enz. Het heeft weinig apparatuurvereisten en is eenvoudig te bedienen, geschikt voor particulieren en kleine studio's. Het "radijsmes" en het "telescopische zwaard" die de laatste tijd populair zijn op de speelgoedmarkt, worden op deze manier gemaakt.

Stereolithografie 3D-printen (SLA, DLP, LCD) gebruikt licht van een specifieke band en vorm om lichtgevoelige hars te bestralen, en de lichtgevoelige hars wordt laag voor laag uitgehard om objecten met de gewenste vorm te genereren. Deze technologie heeft een hoge vormnauwkeurigheid en een glad oppervlak en is geschikt voor het maken van fijne modellen en kleine onderdelen.

Selectief lasersinteren (SLS) maakt gebruik van een laserstraal om poedermaterialen te scannen om ze te smelten en aan elkaar te hechten, waardoor ze laag voor laag worden verzameld tot een driedimensionaal object. Deze technologie maakt gebruik van poeder als grondstof (zoals nylon, metaalpoeder, keramisch poeder, enz.), heeft een hoge vormnauwkeurigheid en is geschikt voor het vervaardigen van functionele onderdelen met complexe structuren.

Selectief lasersmelten (SLM) heeft een hogere laserenergie, vergelijkbaar met selectief lasersinteren (SLS), en kan metaalpoeder volledig smelten om snelle prototyping van metalen onderdelen te bereiken. Deze technologie maakt vaak gebruik van metaalpoeder (zoals titaniumlegering, roestvrij staal, enz.) als grondstof, kan zeer sterke, zeer nauwkeurige metalen onderdelen printen en wordt veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, de medische wereld en andere gebieden.

Stereo inkjetprinten (3DP) maakt gebruik van poedervormige materialen (metaal of niet-metaal) en lijmen als grondstoffen, en gebruikt het hechtmechanisme om elk onderdeel laag voor laag te printen. De gegoten monsters van deze printtechnologie hebben dezelfde kleur als het daadwerkelijke product en het is momenteel een meer volwassen 3D-kleurenprinttechnologie.

Bij de productie van gelamineerde objecten (LOM) worden dunne plaatmaterialen (zoals papier, plastic folie, enz.) en smeltlijm als grondstoffen gebruikt en worden de benodigde objecten laag voor laag verzameld door middel van lasersnijden en thermische verlijming. Deze technologie heeft een hoge vormsnelheid en lage materiaalkosten en is geschikt voor het maken van grote constructies en schalen.

Hoewel het product 3D-printtechnologie een hoge mate van restauratie heeft, wordt het beperkt door de printgrondstoffen. 3D-geprinte producten zijn zeer broos en breken gemakkelijk door externe krachten. Wanneer dergelijke producten worden gebruikt in scenario's met hoge mechanische prestatie-eisen, zullen ze enigszins "incapabel" lijken. Dus, hoe kunnen we het "glazen hart" van 3D-geprinte producten verbeteren, zodat ze een mooie "huid" en "flexibiliteit" hebben die niet gemakkelijk te doorbreken is?

Op 3 juli 2024 publiceerden Chinese wetenschappers een onderzoeksresultaat over 3D-geprinte elastomeren in het tijdschrift Nature. De elastiekjes die met deze technologie zijn bereid, kunnen tot 9 keer hun eigen lengte worden uitgerekt en de maximale treksterkte kan 94,6 MPa bereiken, wat overeenkomt met 1 vierkante millimeter en bijna 10 kilogram zwaartekracht kan weerstaan en een superhoge sterkte en taaiheid vertoont.

"Verzoening" tussen vormsnelheid en taaiheid van afgewerkte producten

Tijdens het fotocuren van 3D-printen (SLA, DLP, LCD) vereist het verbeteren van de productie-efficiëntie een snellere vormsnelheid, wat leidt tot een toename van de verknopingsdichtheid van het materiaal en een afname van de taaiheid van het materiaal tijdens het uithardingsproces. Bij conventionele methoden zal de taaiheid van het materiaal, terwijl de taaiheid van het materiaal toeneemt, ook de viscositeit van het materiaal toenemen, wat zal leiden tot een afname van de vloeibaarheid en een afname van de vormsnelheid. De tegenstrijdigheid tussen de vormsnelheid van 3D-printen en de taaiheid van het eindproduct heeft de hele industrie altijd verontrust.

Chinese wetenschappers hebben deze twee tegenstrijdigheden "verzoend". De onderzoekers stelden een strategie voor voor gefaseerd printen en nabewerking door de grondstof lichtgevoelige hars van fotocuring te analyseren, 3D-printen en het printproces te demonteren. De onderzoekers ontwierpen een DLP-voorloper (digitale lichtverwerking) van dimethacrylaat, dat een dynamisch gehinderde ureumbinding en twee carboxylgroepen op de hoofdketen bevat. Tijdens de print- en gietfase bevinden deze belangrijke componenten zich in een "slapende" toestand en spelen ze een verhardende rol in de verwerkingsfase na het gieten.

a. 3D geprinte objecten en hun maatveranderingen tijdens de nabewerking; b. Anti-lek prestaties van 3D geprinte ballonnen; c. Modellering van mechanische perforatiekracht; d-e. 3D-geprinte pneumatische grijper gewichtheftest. Bron afbeelding: Referentie [1]

Tijdens de nabewerking bij 90°C dissociëren de gehinderde ureumbindingen in de 3D-geprinte producten om isocyanaatgroepen te genereren, die enerzijds amidebindingen vormen met de zijketencarboxylgroepen en anderzijds reageren met het door het carbonzuur geadsorbeerde water om ureumbindingen te vormen. De veranderingen in de chemische bindingen in de moleculen verbinden de enkele netwerkstructuur in het materiaal tot een interpenetrerende netwerkstructuur die lijkt op "hand in hand", waardoor meer waterstofbruggen ontstaan en de interne structuur van het materiaal wordt versterkt. Juist vanwege de veranderingen in de interne structuur van het materiaal hebben de 3D-geprinte producten een grotere bufferruimte wanneer ze worden vervormd door externe krachten, vergelijkbaar met het energieabsorberende effect van een botsing met een voertuig, dat de slagvastheid en breukweerstand van het product verbetert en een hogere taaiheid heeft.

De experimentele resultaten tonen aan dat de film die is geprepareerd door 3D-printen met behulp van DLP-precursor met een dikte van slechts 0,8 mm extreem sterke anti-perforatieprestaties vertoont, waardoor hij een kracht van 74,4 Newton kan weerstaan zonder te breken. Zelfs onder hoge druk kan de 3D-geprinte pneumatische grijper nog steeds een koperen bal van 70 gram met scherpe doornen op het oppervlak grijpen zonder te breken, wat de ultrahoge taaiheid en structurele sterkte van 3D-geprinte producten aantoont.

Brede toepassing van 3D-geprinte elastomeren

Op het gebied van sportuitrusting bieden 3D-geprinte elastomeren atleten gepersonaliseerde, hoogwaardige uitrusting. Op maat gemaakte inlegzolen en beschermende uitrusting maken bijvoorbeeld gebruik van de schokabsorberende en ondersteunende eigenschappen van elastomeren om de sportprestaties van atleten te optimaliseren en de draagervaring te verbeteren. Vooral bij extreme sporten en high-impact sporten kunnen 3D-geprinte elastomeermaterialen de impact op atleten tijdens het sporten aanzienlijk verminderen en hun gewrichten en spieren beschermen tegen blessures.

In de auto- en ruimtevaart worden 3D-geprinte elastomeren gebruikt voor belangrijke componenten zoals lichtgewicht schokabsorberende onderdelen en afdichtingen. Deze onderdelen kunnen het gewicht verminderen en hoge prestaties behouden door middel van complexe structurele ontwerpen.

Op het gebied van elektronische producten kunnen slimme luidsprekers, slimme armbanden, hoesjes voor mobiele telefoons en andere producten worden geprint met elastomeermaterialen. Deze producten hebben niet alleen een uitstekende zachtheid en elasticiteit, maar hebben ook een hoge slijtvastheid en duurzaamheid, wat kan voldoen aan de veelzijdige behoeften van de consument op het gebied van productuiterlijk en prestaties.

Op het gebied van industriële productie wordt 3D-printelastomeertechnologie gebruikt om verschillende industriële mallen en transmissieriemen en andere onderdelen te vervaardigen. Deze onderdelen moeten bestand zijn tegen grotere mechanische belasting en trillingen, en elastomeermaterialen zijn ideale keuzes met hun uitstekende elasticiteit en weerstand tegen vermoeidheid. Het vervaardigen van deze onderdelen door middel van 3D-printtechnologie kan niet alleen de productie-efficiëntie verbeteren, maar ook de productiekosten verlagen.

De komst van 3D-printelastomeertechnologie heeft de gebruiksscenario's van 3D-printproducten verder uitgebreid en meer kleurrijke mogelijkheden in ons leven gebracht.