Китайские ученые совершили новый прорыв в решении «отраслевых проблем» технологии 3D-печати!

С быстрым развитием науки и технологий технология 3D-печати распространилась во всех сферах жизни, как сильный восточный ветер. От сложных и точных механических деталей до реалистичных моделей изделий, от фантастических архитектурных прототипов до персонализированных предметов повседневного спроса, технология 3D-печати, с ее бесконечной креативностью и достаточной гибкостью, воплотила воображение в реальность, сделав жизнь людей более удобной, а также преподнеся нам сюрпризы.

Принцип работы технологии 3D-печати

Технология 3D-печати, также известная как технология аддитивного производства, представляет собой инновационный метод производства, который создает трехмерные объекты путем наложения материалов слой за слоем. Его принцип аналогичен принципу строительства кирпичного дома, который можно просто охарактеризовать как «послойное производство, послойное укладывание».

Процесс 3D-печати не сложен. Сначала создается или получается цифровая модель с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования, а затем модель разрезается на ряд очень тонких слоев поперечного сечения (т.е. срезов), причем толщина каждого среза обычно составляет от десятков до сотен микрон. Затем, основываясь на этой информации о срезах, 3D-принтер слой за слоем создает окончательный объект с помощью определенных технологий и материалов.

Процессы 3D-печати включают моделирование методом наплавления (FDM), фотостереолитографическую 3D-печать (SLA, DLP, LCD), селективное лазерное спекание (SLS), селективное лазерное плавление (SLM), стереоструйную печать (3DP) и послойное производство (LOM).

Моделирование методом наплавления (FDM) — это процесс, при котором нитевидные термопластичные материалы нагреваются и плавятся через сопло, слой за слоем наносятся на платформу и, наконец, затвердевают в трехмерный объект. В этой технологии в качестве сырья часто используются термопластичные материалы, такие как сополимер акрилонитрил-бутадиен-стирола (ABS), полимолочная кислота (PLA) и др. Он имеет низкие требования к оборудованию и прост в эксплуатации, подходит для частных лиц и небольших студий. Таким образом изготавливают «нож редьки» и «телескопический меч», которые в последнее время пользуются популярностью на рынке игрушек.

Стереолитографическая 3D-печать (SLA, DLP, LCD) использует свет определенной полосы и формы для облучения светочувствительной смолы, а фоточувствительная смола отверждается слой за слоем для получения объектов желаемой формы. Эта технология обладает высокой точностью формовки и гладкой поверхностью, подходит для изготовления тонких моделей и мелких деталей.

Селективное лазерное спекание (SLS) использует лазерный луч для сканирования порошковых материалов, чтобы расплавить и связать их вместе, накапливая слой за слоем в трехмерный объект. В этой технологии в качестве сырья используется порошок (например, нейлон, металлический порошок, керамический порошок и т.д.), имеет высокую точность формования, подходит для изготовления функциональных деталей со сложной структурой.

Селективное лазерное плавление (SLM) имеет более высокую энергию лазера, аналогично селективному лазерному спеканию (SLS), и может полностью расплавить металлический порошок для достижения быстрого прототипирования металлических деталей. Эта технология часто использует металлический порошок (например, титановый сплав, нержавеющая сталь и т. д.) в качестве сырья, может печатать высокопрочные, высокоточные металлические детали, широко используется в аэрокосмической, медицинской и других областях.

При стереоструйной печати (3DP) в качестве сырья используются порошковые материалы (металлические или неметаллические) и клеи, а также используется механизм склеивания для печати каждого компонента слой за слоем. Отлитые образцы этой технологии печати имеют тот же цвет, что и реальное изделие, и в настоящее время это более зрелая технология цветной 3D-печати.

При производстве ламинированных объектов (LOM) в качестве сырья используются тонкие листовые материалы (такие как бумага, пластиковая пленка и т. д.) и клей-расплав, а необходимые объекты слой за слоем накапливаются с помощью лазерной резки и термического склеивания. Эта технология отличается высокой скоростью формовки и низкой стоимостью материала, подходит для изготовления больших конструкций и оболочек.

Несмотря на то, что продукт технологии 3D-печати имеет высокую степень реставрации, она ограничена сырьем для печати. Напечатанные на 3D-принтере изделия очень хрупкие и легко ломаются под воздействием внешних сил. Когда такие изделия используются в сценариях с высокими требованиями к механическим характеристикам, они будут казаться в некоторой степени «неспособными». Итак, как же улучшить «стеклянное сердце» 3D-печатных изделий, чтобы у них была красивая «кожа» и «гибкость», которую непросто сломать?

3 июля 2024 года китайские ученые опубликовали в журнале Nature результат исследования напечатанных на 3D-принтере эластомеров. Резиновые ленты, изготовленные по этой технологии, могут быть растянуты в 9 раз больше собственной длины, а максимальная прочность на разрыв может достигать 94,6 МПа, что эквивалентно 1 квадратному миллиметру, выдерживает почти 10 килограмм силы тяжести, демонстрируя сверхвысокую прочность и ударную вязкость.

«Согласование» скорости формования и ударной вязкости готовых изделий

В процессе фотоотверждаемой 3D-печати (SLA, DLP, LCD) повышение эффективности производства требует более высокой скорости формования, что приводит к увеличению плотности сшивания материала и снижению ударной вязкости материала в процессе отверждения. При традиционных методах, в то время как вязкость материала увеличивается, вязкость материала также будет увеличиваться, что приведет к снижению текучести и снижению скорости формования. Противоречие между скоростью формования при 3D-печати и прочностью готового изделия всегда беспокоило всю отрасль.

Китайские ученые «примирили» эти два противоречия. Исследователи предложили стратегию поэтапной печати и постобработки путем анализа сырья, светочувствительной смолы фотоотверждения, 3D-печати и разборки процесса печати. Исследователи разработали DLP (цифровая обработка света) предшественник диметакрилата, который содержит динамически затрудненную связь мочевины и две карбоксильные группы на основной цепи. На этапе печати и формования эти ключевые компоненты находятся в «спящем» состоянии и играют упрочняющую роль на этапе обработки после формования.

a. 3D напечатанных объектов и изменения их размеров в процессе постобработки; b. Противопроколочные характеристики напечатанных на 3D-принтере воздушных шаров; c. Моделирование механической силы прокола; d-e. Напечатанный на 3D-принтере пневматический захват для поднятия тяжестей. Источник изображения: Reference [1]

На этапе постобработки при температуре 90 °C препятствующие связям мочевины в напечатанных на 3D-принтере изделиях диссоциируют с образованием изоцианатных групп, которые, с одной стороны, образуют амидные связи с карбоксильными группами боковой цепи, а с другой стороны, вступают в реакцию с водой, адсорбированной карбоновой кислотой, с образованием мочевинных связей. Изменения в химических связях внутри молекул соединяют единую сетчатую структуру в материале во взаимопроникающую сетчатую структуру, похожую на «руку об руку», обеспечивая больше водородных связей и укрепляя внутреннюю структуру материала. Именно из-за изменения внутренней структуры материала напечатанные на 3D-принтере изделия имеют большее буферное пространство при деформации под действием внешних сил, аналогичное эффекту поглощения энергии при столкновении транспортного средства, что улучшает ударопрочность изделия и стойкость к разрушению и обладает более высокой ударной вязкостью.

Результаты эксперимента показывают, что пленка, полученная с помощью 3D-печати с использованием прекурсора DLP толщиной всего 0,8 мм, демонстрирует чрезвычайно сильные противопроколочные характеристики, что позволяет ей выдерживать усилие в 74,4 Ньютона без разрыва. Даже в условиях высокого давления напечатанный на 3D-принтере пневматический захват может захватывать медный шарик весом 70 граммов с острыми шипами на поверхности, не ломаясь, что демонстрирует сверхвысокую ударную вязкость и структурную прочность изделий, напечатанных на 3D-принтере.

Широкое применение 3D-печатных эластомеров

В области спортивного инвентаря эластомеры, напечатанные на 3D-принтере, обеспечивают спортсменов персонализированным высокопроизводительным оборудованием. Например, индивидуальные стельки и защитное снаряжение используют амортизирующие и поддерживающие свойства эластомеров для оптимизации спортивных результатов спортсменов и улучшения впечатлений от ношения. Особенно в экстремальных видах спорта и видах спорта с высокой ударной нагрузкой, напечатанные на 3D-принтере эластомеры могут значительно снизить воздействие на спортсменов во время упражнений и защитить их суставы и мышцы от травм.

В автомобильной и аэрокосмической отраслях эластомеры, напечатанные на 3D-принтере, используются для изготовления ключевых компонентов, таких как легкие амортизирующие детали и уплотнения. Эти детали могут снизить вес и сохранить высокую производительность благодаря сложным структурным конструкциям.

В области электронных изделий умные колонки, умные браслеты, чехлы для мобильных телефонов и другие изделия могут быть напечатаны эластомерными материалами. Эти изделия не только обладают отличной мягкостью и эластичностью, но и обладают высокой износостойкостью и долговечностью, что позволяет удовлетворить многогранные потребности потребителей во внешнем виде и эксплуатационных характеристиках продукции.

В области промышленного производства технология 3D-печати эластомером используется для изготовления различных промышленных пресс-форм, приводных ремней и других деталей. Эти детали должны выдерживать большие механические нагрузки и вибрацию, а эластомерные материалы являются идеальным выбором благодаря своей превосходной эластичности и усталостной прочности. Изготовление этих деталей с помощью технологии 3D-печати может не только повысить эффективность производства, но и снизить производственные затраты.

Появление технологии 3D-печати эластомером еще больше расширило сценарии использования продукции для 3D-печати и привнесло в нашу жизнь больше красочных возможностей.