Sandia National Laboratories
Petkrat hitrejše tiskanje močnejših materialov.
3D tehnologija je spremenila svet. V letalski, medicinski, avtomobilski, proizvodnji in številnih drugih panogah je omogočila prilagajanje delov in prototipov na načine, ki jih prej niso mogli narediti.
Drastično je povečala prilagodljivost in stroškovno učinkovitost, hkrati pa zmanjšala količino odpadkov in skrajšala čas proizvodnje. Vendar pa številni materiali, natisnjeni s 3D-tiskalnikom, niso najmočnejši. Ekipa kemikov in strokovnjakov za materiale v Sandii upa, da bo to spremenila.
Razvili so nov postopek tiskanja, ki v rekordnem času, petkrat hitreje kot pri običajnem 3D-tiskanju, omogoča tiskanje močnejših nekovinskih materialov.
„To odpira povsem nov svet, kaj lahko zgradite in za kaj lahko uporabite 3D materiale,“ je dejal znanstvenik za materiale Samuel Leguizamon.
Vodil je ekipo, ki je razvila program SWOMP, kar pomeni Selective Dual-Wavelength Olefin Metathesis 3D-Printing. Kot je razvidno iz imena, za razliko od tradicionalnega postopka tiskanja, uporablja svetlobo z dvojno valovno dolžino.
Kako deluje 3D tiskanje v kadi
Tradicionalno se 3D-tiskanje v kadi izvaja z obsevanjem kadi s svetlobno občutljivo tekočo smolo po želenem vzorcu. Ko je smola izpostavljena svetlobi izpod posode, se najprej zgosti in kasneje otrdi v polimerno plast. Strjeni polimer se nato dvigne, pod njim pa se projicira nov vzorec za strjevanje naslednjih slojev.
Navedimo enega od izzivov: ko se polimer strjuje, se prilepi na prejšnjo plast in na dno posode. Po vsaki plasti je treba strjeni polimer počasi odstraniti iz kadi, da se preprečijo poškodbe, kar znatno upočasni postopek 3D tiskanja.
Soustvarjalka Leah Appelhans je dejala, da je to nekako tako kot peka piškotov. „Ko jih spečeš, jih moraš pustiti, da se ohladijo. Če poskušaš topel piškotek odlepiti s pekača, je gnetljiv in razpade. Enako bi se zgodilo s 3D objektom, če bi poskušali hitro natisniti vsako plast. Vaše delo bi se deformiralo.“
Samuel, Leah, nekdanji Sandian Jeff Foster in znanstvenik na področju polimerov Alex Commisso so se domislili načina za hitrejše ohlajanje „piškotkov“.
UV in modra svetloba
Ključno je združevanje dveh svetlob. V tem primeru ultravijolične in modre svetlobe.
Ekipa se je zgledovala po tehniki, znani kot neprekinjeno tiskanje tekočega vmesnika, skupaj s pristopom tiskanja z uporabo svetlobe dveh valovnih dolžin za polimerizacijo na osnovi akrila.
Z njim so ustvarili SWOMP.
„Še vedno tiskate plast za plastjo, vendar uporabljate drugo valovno dolžino svetlobe, da preprečite polimerizacijo na dnu kadi. Tako se polimer ne prilepi na dno,“ je dejal Samuel. „To pomeni, da lahko hitreje dvignete strjeni polimerni del in znatno pospešite postopek tiskanja.“
Kako narediti 3D materiale trdnejše
Vendar ta novi postopek ni namenjen samo učinkovitosti. Gre za to, da so materiali, natisnjeni s 3D tiskalnikom, trdnejši in bolj vsestranski. Večina materialov, natisnjenih s polimerizacijo v kadi, je na osnovi akrila, ki ni najtrdnejši material.
„Te materiale je zelo težko uporabljati v letalstvu, vesolju, letalski in avtomobilski industriji. To so zelo zahtevna okolja,“ je dejal Bob Sleeper, vodja podjetja Sandia, ki se ukvarja z licenciranjem.
Ekipa je uporabila snov diciklopentadien, ki se pogosto uporablja v proizvodnji barv, lakov in zaviralcev gorenja za plastiko. Uspelo jim je razviti način, kako ga hitreje polimerizirati s svetlobo, da bi ga lahko učinkoviteje uporabili pri 3D-tiskanju.
„Gradnike materialov smo zamenjali in prešli iz akrilnih na olefinske,“ je dejal Samuel. „To nam omogoča tiskanje materialov, ki so veliko trši.“
„V tem je lepota tega, kar počnejo,“ je dejal Bob. „Imamo zelo kakovostne plastične dele, ki so zelo natančno izdelani z uporabo svetlobe na zelo nov način.“
Odpiranje novega sveta 3D tiskanja
Ta ekipa upa, da bo njihov novi postopek tiskanja odprl svet 3D tiskanja.
Projekt je bil sprva financiran v okviru hitrega trimesečnega programa Exploratory Express, zdaj pa ga financira program Sandia za tehnološko zorenje.
„Poskušamo ustvariti zbirko orodij, ki so na voljo,“ je dejala Leah. „Želimo, da bi oblikovalci, raziskovalci in inženirji lahko izbrali vrsto materiala, ki ga želijo uporabiti.“
Upajo, da bodo nekoč ti 3D-natisnjeni deli uporabljeni v raketah, motorjih, baterijah, morda celo v fuzijskih aplikacijah. Samuel je dejal, da se že pogovarjajo z raziskovalci v nacionalnem laboratoriju Lawrence Livermore, da bi raziskali možnosti uporabe. „Izkazalo se je, da se monomeri že uporabljajo v fuzijskih komponentah. Običajno ne pomislite na polimer, ki se uporablja v fuziji, vendar je to res vznemirljiv potencial.“
Ekipa vidi tudi svet, v katerem bo 3D tiskanje lažje potekalo na oddaljenih območjih. „Razmišljamo o lokacijah, kjer stroji in deli niso zlahka na voljo, na primer v vesolju, na Luni ali na Bližnjem vzhodu v ameriški vojaški bazi,“ je dejal Bob. „S seboj lahko prinesete nekaj lahkih materialov in na kraju samem izdelate, kar potrebujete.“
Samuel, ki je odraščal v majhnem mestu Wagener v Južni Karolini, razmišlja tudi o aplikacijah, ki bi lahko pomagale bližje domu.
„Imam konje. Odraščal sem na podeželju, moj oče je bil kovač, zato razmišljam o tem, kako bi izdelal podkve za dirkalne konje. Biti morajo odporne na udarce, vendar lahko s spreminjanjem lastnosti materiala bolje razporedimo obremenitve in udarimo na pravo mesto na kopitu. Lahko si to predstavljamo kot vložke za konje.“ Možnosti so neskončne.
„Mislim, da me je pri kemiji najprej pritegnila možnost, da ustvarim nekaj, kar še nikoli ni obstajalo,“ je dejala Lea. „Pri 3D tiskanju je zabavno to, da kemijsko znanje uporabiš za nekaj, kar ima zelo konkreten rezultat. Nekaj, kar lahko vidiš in držiš v rokah.“
Povzeto po:
https://www.sandia.gov/labnews/2024/03/07/propelling-3d-printing-into-the-future/
