Honkongo miesto universiteto (CityU) mokslininkai išsiaiškino būdą, kaip 3D spausdintas polimerinių grotelių dalis padaryti 100 kartų tvirtesnes nei anksčiau.
Palyginti su tradiciniu terminiu apdorojimu, kuris sustiprina plastikinius spausdintus objektus deformuojamumo sąskaita, „CityU“ metodas juos tiesiog iš dalies karbonizuoja, kad jie būtų stipresni ir dvigubai lankstesni. Komanda teigia, kad naudojant jų procesą galima pasiekti sudėtingą 3D spausdinimą su mechaninėmis savybėmis, pritaikytomis konkrečioms reikmėms, pvz., Koronariniams stentams ar bioimplantams.
„Nuostabu, kad radome būdą paversti trapius ir trapius 3D spausdintus fotopolimerus į itin tvirtas 3D struktūras, kurios konkuruoja su metalais ir lydiniais, tiesiog kaitinant juos tinkamomis sąlygomis“, – sakė CityU profesorius Lu Yang. „Mūsų darbas yra nebrangus, paprastas ir keičiamo dydžio būdas gaminti lengvas, stiprias ir kaliąsias mechanines metamedžiagas su praktiškai bet kokia geometrija.
Medžiagų „Šventojo Gralio“ vaikymasis
„CityU“ mokslininkų teigimu, lengvo, tačiau itin didelio stiprumo ir tuo pat metu plastiško polimero sukūrimas laikomas medžiagų tyrimų ir plėtros „šventuoju graliu“, tačiau šios savybės dažnai yra „vieną kitą nepaneigiančios“.
Taip yra todėl, kad pirolizė, procesas, paprastai naudojamas plastikinėms dalims paversti sustiprintą anglį kaitinant inertinėje atmosferoje, pašalina beveik visą pradinio polimero deformaciją. Nors komanda pripažįsta, kad egzistuoja kiti plastiko stiprinimo metodai, jie teigia, kad jie taip pat sukelia „įgimtą trapumą ir mažą kietumą“, o tai „riboja [paskutinės dalies] konstrukcinius pritaikymus“.
Visų pirma, šie trūkumai riboja dalių gamybą iš „metamedžiagų“, kurios skirtos turėti savybių, kurių nėra natūraliose žaliavose. Tam tikri jų pakartojimai gali būti naudojami kuriant mikro groteles, kuriose lengvas konstrukcinis dizainas derinamas su medžiagų, iš kurių jie pagaminti, kokybe, tačiau mokslininkai teigia, kad jų 3D spausdinimo galimybės vis dar yra ribotos.
„Tvirtiems ir tvirtiems architektūriniams komponentams 3D spausdinimui dažnai reikia metalų ar lydinių, tačiau jie nėra lengvai prieinami dėl didelių komercinių metalinių 3D spausdintuvų ir žaliavų kainos ir mažos skiriamosios gebos“, – pridūrė Yang. "Polimerai yra lengviau prieinami, tačiau dažnai jiems trūksta mechaninio stiprumo ar kietumo."
Sukurkite 100 kartų kietesnius polimerus
Tirdama 3D spausdintas polimerines groteles, „CityU“ komanda teigė sugalvojusi būdą, kaip jas pašildyti iki „stebuklingos“ dalinės karbonizacijos būsenos. Atidžiai kontroliuodami pirolizės proceso kaitinimo greitį, temperatūrą, trukmę ir dujų aplinką, mokslininkai nustatė, kad mikro gardelių standumą, stiprumą ir lankstumą galima padidinti vienu žingsniu.
Tyrėjai padarė šį atradimą taikydami daugybę apibūdinimo metodų, kurie atskleidė, kad lėtas kaitinimas sukelia medžiagos polimerų grandinių nepilną transformaciją pirolitinės transformacijos metu. Taip sukuriama hibridinė medžiaga, kurioje sinergiškai egzistuoja struktūriškai sustiprinti anglies fragmentai ir laisvai susietos polimerų grandinės, neleidžiančios kompozitui įtrūkti.
Tolesniuose tyrimuose ir plėtroje mokslininkai išsiaiškino, kad polimero ir anglies fragmentų santykis taip pat yra labai svarbus gaminant dalis, optimizuotas stiprumui ir lankstumui. Išbandydama savo teoriją, komanda sukūrė keletą bandomųjų spaudinių, kuriuose jie sugebėjo pakartotinai sukurti karbonizuotą grotelę, kuri buvo 100 kartų stipresnė ir dvigubai lankstesnė nei anksčiau.
Kaip papildoma premija, mokslininkų „hibridinės anglies“ mikrogardelės taip pat pasižymėjo geresniu biologiniu suderinamumu nei jų baziniai polimerai ir netgi buvo įrodyta, kad jos geriau palaiko ląstelių biologinį aktyvumą. Atsižvelgdama į tai, komanda mano, kad jų procesas galėtų būti panaudotas siekiant išplėsti daugelio kitų polimerų funkcionalumą ir atrakinti naujas 3D spausdinimo medžiagas medicinos, robotų ir energijos įrenginiams.
Vainikinių arterijų stentų, atspausdintų iš karbonizuotų medžiagų, pavyzdžiai