Metoda druku 3D tworzy fantastyczny plastik

Inżynierowie z Princeton opracowali łatwo skalowalną technikę druku 3D do wytwarzania miękkich tworzyw sztucznych o zaprogramowanej rozciągliwości i elastyczności, które nadają się również do recyklingu i są niedrogie — a to cechy, których zwykle nie można połączyć z materiałami produkowanymi komercyjnie.

W artykuł w dzienniku Zaawansowane materiały funkcjonalnezespół kierowany przez Emily Davidson poinformował, że wykorzystał klasę powszechnie dostępnych polimerów zwanych elastomerami termoplastycznymi do stworzenia miękkich, drukowanych w 3D struktur o regulowanej sztywności.

Inżynierowie mogą zaprojektować ścieżkę drukowania używaną przez drukarkę 3D w celu zaprogramowania właściwości fizycznych tworzywa sztucznego w taki sposób, aby urządzenie mogło wielokrotnie rozciągać się i zginać w jednym kierunku, zachowując jednocześnie sztywność w innym. Davidson, adiunkt inżynierii chemicznej i biologicznej, powiedział, że takie podejście do inżynierii miękkich materiałów może mieć wiele zastosowań, takich jak miękkie roboty, urządzenia medyczne i protezy, mocne, lekkie kaski i niestandardowe podeszwy butów o wysokiej wydajności.

Kluczem do wydajności materiału jest jego wewnętrzna struktura na najmniejszym poziomie. Zespół badawczy zastosował rodzaj kopolimeru blokowego, który tworzy sztywne cylindryczne struktury o grubości 5–7 nanometrów (dla porównania ludzki włos ma około 90 000 nanometrów) wewnątrz rozciągliwej matrycy polimerowej.

Naukowcy wykorzystali druk 3D do zorientowania tych cylindrów w skali nano, co pozwoliło uzyskać wydrukowany w 3D materiał, który jest twardy w jednym kierunku, ale miękki i rozciągliwy w prawie wszystkich pozostałych. Projektanci mogą ustawiać te cylindry w różnych kierunkach w obrębie pojedynczego obiektu, co prowadzi do miękkich architektur, które wykazują sztywność i rozciągliwość w różnych obszarach obiektu.

„Elastomer, którego używamy, tworzy nanostruktury, które jesteśmy w stanie kontrolować” – powiedział Davidson. Pozwala to projektantom na dużą kontrolę nad gotowymi produktami. „Możemy tworzyć materiały, które mają właściwości dostosowane w różnych kierunkach”.

Pierwszym krokiem w opracowaniu tego procesu był wybór odpowiedniego polimeru. Naukowcy wybrali elastomer termoplastyczny, czyli kopolimer blokowy, który można podgrzewać i przetwarzać w postaci stopionego polimeru, ale który po ochłodzeniu twardnieje, tworząc elastyczny materiał.

Na poziomie molekularnym polimery są długimi łańcuchami połączonych cząsteczek. Tradycyjne homopolimery to długie łańcuchy jednej powtarzającej się cząsteczki, natomiast kopolimery blokowe składają się z różnych homopolimerów połączonych ze sobą. Te różne obszary łańcucha kopolimeru blokowego są jak olej i woda – rozdzielają się zamiast mieszać. Naukowcy wykorzystali tę właściwość do wytworzenia materiału o sztywnych cylindrach w rozciągliwej matrycy.

Naukowcy wykorzystali swoją wiedzę na temat tworzenia się nanostruktur kopolimerów blokowych i reakcji na przepływ, aby opracować technikę druku 3D, która skutecznie powoduje wyrównanie tych sztywnych nanostruktur. Naukowcy przeanalizowali sposób, w jaki można wykorzystać szybkość drukowania i kontrolowane niedostateczne wytłoczenie do kontrolowania właściwości fizycznych drukowanego materiału.

Alice Fergerson, absolwentka Princeton i główna autorka artykułu, opowiedziała o technice i kluczowej roli, jaką odgrywa wyżarzanie termiczne — kontrolowane nagrzewanie i chłodzenie materiału.

„Myślę, że jedną z najfajniejszych części tej techniki jest wiele ról, jakie odgrywa wyżarzanie termiczne — zarówno drastycznie poprawia właściwości po wydrukowaniu, jak i pozwala, aby drukowane rzeczy nadawały się do wielokrotnego użytku, a nawet samonaprawy, jeśli przedmiot zostanie uszkodzony uszkodzony lub zepsuty.”

Davidson powiedział, że jednym z celów projektu było stworzenie miękkich materiałów o lokalnie regulowanych właściwościach mechanicznych w sposób przystępny cenowo i skalowalny dla przemysłu. Możliwe jest tworzenie podobnych struktur o lokalnie kontrolowanych właściwościach przy użyciu materiałów takich jak elastomery ciekłokrystaliczne.

Davidson powiedział jednak, że materiały te są zarówno drogie (ponad 2,5 dolara za gram), jak i wymagają wieloetapowego przetwarzania obejmującego dokładnie kontrolowane wytłaczanie, a następnie ekspozycję na światło ultrafioletowe. Elastomery termoplastyczne stosowane w laboratorium Davidsona kosztują około centa za gram i można je drukować za pomocą komercyjnej drukarki 3D.

Naukowcy wykazali, że ich technika umożliwia włączenie dodatków funkcjonalnych do elastomeru termoplastycznego bez ograniczania możliwości kontrolowania właściwości materiału. W jednym przykładzie dodali cząsteczkę organiczną opracowaną przez grupę profesora Lynn Loo, która sprawia, że ​​plastik świeci na czerwono po wystawieniu na działanie światła ultrafioletowego. Wykazali także zdolność drukarki do tworzenia złożonych i wielowarstwowych konstrukcji, w tym małego plastikowego wazonu i drukowanego tekstu, w którym zastosowano ostre zakręty, aby przeliterować PRINCETON.

Kluczową rolę w ich procesie pełni wyżarzanie, zwiększając doskonałość porządku wewnętrznych nanostruktur. Davidson powiedział, że wyżarzanie umożliwia również samonaprawę materiału. W ramach pracy badacze mogą wyciąć elastyczną próbkę zadrukowanego plastiku i ponownie ją przymocować poprzez wyżarzanie. Naprawiony materiał wykazywał te same właściwości co próbka oryginalna. Naukowcy stwierdzili, że nie zaobserwowali „żadnych znaczących różnic” między materiałem oryginalnym a naprawionym.

Następnym krokiem zespołu badawczego będzie zbadanie nowych architektur nadających się do druku 3D, które będą kompatybilne z takimi zastosowaniami, jak elektronika ubieralna i urządzenia biomedyczne.