A Hongkongi Városi Egyetem (CityU) kutatói kitalálták a módját annak, hogy a 3D-nyomtatott polimer rács alkatrészeket 100-szor erősebbé tegyék, mint korábban.
A hagyományos hőkezelésekhez képest, amelyek a deformálhatóság rovására erősítik a műanyag nyomtatott tárgyakat, a CityU megközelítése egyszerűen csak részben karbonizálja őket, hogy erősebbé és kétszer olyan képlékenysé tegye őket. A csapat szerint az ő eljárásuk segítségével komplex 3D nyomtatás érhető el, amelynek mechanikai tulajdonságai adott alkalmazásokhoz igazodnak, mint például a koszorúér-sztentek vagy a bioimplantták.
"Elképesztő, hogy megtaláltuk a módját annak, hogy a törékeny és törékeny 3D nyomtatott fotopolimereket ultrakemény 3D-s szerkezetekké alakítsuk át, amelyek vetekednek a fémekkel és ötvözetekkel, egyszerűen azáltal, hogy a megfelelő körülmények között melegítjük őket" - mondta Lu Yang, a CityU professzora. "Munkánk olcsó, egyszerű és skálázható utat biztosít a könnyű, erős és képlékeny mechanikai metaanyagok előállításához, gyakorlatilag bármilyen geometriával."
Az anyagok "Szent Gráljának" üldözése
A CityU tudósai szerint egy könnyű, mégis rendkívül nagy szilárdságú és képlékeny polimer kifejlesztése egyidejűleg az anyagkutatás és -fejlesztés "szent gráljának" tekinthető, de ezek a tulajdonságok gyakran "kizárják egymást".
Ennek az az oka, hogy a pirolízis, amelyet általában arra használnak, hogy a műanyag alkatrészeket inert légkörben történő melegítéssel megerősített szénré alakítsák át, az eredeti polimer szinte minden deformálhatóságát lebontja. Bár a csapat elismeri, hogy léteznek más műanyagerősítési módszerek is, azt mondják, hogy ezek "eredendő törékenységet és alacsony szívósságot" is eredményeznek, amelyek "korlátozzák [az utolsó rész] szerkezeti alkalmazását".
Ezek a hiányosságok különösen korlátozzák a "metaanyagokból" származó alkatrészek gyártását, amelyeket úgy terveztek, hogy olyan tulajdonságokkal rendelkezzenek, amelyek nem találhatók meg a természetes nyersanyagokban. Ezek bizonyos iterációi felhasználhatók olyan mikrorácsok létrehozására, amelyek ötvözik a könnyű szerkezeti terveket az általuk készített anyagok minőségével, de a kutatók szerint 3D nyomtatási képességeik még mindig korlátozottak.
"Az erős és kemény építészeti alkatrészek gyakran fémeket vagy ötvözeteket igényelnek a 3D nyomtatáshoz, de a kereskedelmi fém 3D nyomtatók és nyersanyagok magas költsége és alacsony felbontása miatt nem állnak rendelkezésre könnyen" - tette hozzá Yang. "A polimerek könnyebben elérhetők, de gyakran nem rendelkeznek mechanikai szilárdsággal vagy szívóssággal."
Olyan polimerek kifejlesztése, amelyek 100-szor keményebbek
A 3D nyomtatott polimer rácsok tanulmányozása során a CityU csapata azt mondta, hogy kitaláltak egy módot arra, hogy a részleges karbonizáció "mágikusszerű" állapotába melegítsék őket. A pirolízis folyamatának fűtési sebességének, hőmérsékletének, időtartamának és gázkörnyezetének gondos szabályozásával a tudósok azt találták, hogy a mikrorácsok merevsége, szilárdsága és hajlékonysága egyetlen lépésben növelhető.
A kutatók ezt a felfedezést egy sor jellemzési technikával tették, amelyek feltárták, hogy a lassú melegítés miatt az anyag polimer láncai hiányos átalakuláson mennek keresztül a pirolitikus transzformáció során. Ez olyan hibrid anyagot hoz létre, amelyben szerkezetileg megerősített szénfragmensek és lazán keresztkötésű polimer láncok, amelyek megakadályozzák a kompozit megrepedését, szinergikusan együtt léteznek.
A további K + F révén a kutatók felfedezték, hogy a polimer és a szénfragmensek aránya kritikus fontosságú a szilárdságra és hajlékonyságra optimalizált alkatrészek előállításához is. Elméletüket próbára téve a csapat számos tesztnyomatot készített, amelyekben iteratív módon ki tudtak fejleszteni egy karbonizált rácsot, amely 100-szor erősebb és kétszer olyan képlékeny volt, mint korábban.
További bónuszként a kutatók "hibrid szén" mikrorácsai szintén jobb biokompatibilitást mutattak, mint az alappolimerek, és még azt is kimutatták, hogy jobban támogatják a sejtek bioaktivitását. Ezt szem előtt tartva a csapat úgy véli, hogy folyamatukat fel lehetne használni számos más polimer funkcionalitásának bővítésére és új 3D nyomtatási anyagok feloldására orvosi, robot- és energiaeszközökhöz.
Példák a szénsavas anyagokból nyomtatott 3D-stentekre