Новий метод 3D-друку створює складні металеві та керамічні вироби

Дослідники з Федеральної політехнічної школи Лозанни у Швейцарії представили новий підхід до тривимірного друку, який дозволяє створювати складні металеві та керамічні структури для датчиків, біомедичних пристроїв та інших виробів, що потребують міцних, легких і складних матеріалів. Результати роботи опубліковано у журналі Advanced Materials.

Даріл Йі, керівник Лабораторії хімії матеріалів та виробництва у Федеральній політехнічній школі Лозанни, пояснює суть розробки. За його словами, ця робота не лише дозволяє виготовляти високоякісні метали та кераміку за допомогою доступного та недорогого процесу тривимірного друку, але й демонструє нову парадигму в адитивному виробництві, де вибір матеріалу відбувається після тривимірного друку, а не до нього.

Метод базується на стандартній технології тривимірного друку, яка називається фотополімеризацією у ванні. Під час цього процесу світлочутлива гідрогелева смола застигає під дією лазерного або ультрафіолетового випромінювання, набуваючи потрібної форми. Отримані порожні гідрогелеві структури занурюють у розчини солей металів на 60 хвилин при температурі 65 градусів за Цельсієм, щоб дозволити іонам металів проникнути у структуру та пропитати її. Потім іони перетворюються на наночастинки, що містять метал, за допомогою осаджувального агента.

Автори дослідження пояснюють, що цикл інфузії та осадження повторюється кілька разів для збільшення маси наночастинок, що містять метал, у гідрогелевому композиті. Після п'яти або десяти таких циклів нарощування відбувається заключний етап нагрівання, який спалює залишки гідрогелю та спікає наночастинки, що містять метал, разом, утворюючи металевий або керамічний об'єкт у формі оригінального надрукованого гідрогелю.

У статті, що представляє цю технологію, дослідники створили міцні та складні гіроїдні решіткові структури з металів, зокрема заліза, срібла та міді, а також з кераміки на основі стронцієвого гексафериту. Імінг Джі, аспірант і перший автор дослідження, зазначає, що їхні матеріали витримували у 20 разів більший тиск порівняно з тими, що виготовлені попередніми методами, при цьому демонструючи лише 20 відсотків усадки проти 60−90 відсотків.

Значна усадка обмежує масштабованість технології, оскільки вимагає непрактично великих полімерних шаблонів. Крім того, автори пишуть, що значна усадка цих великих шаблонів часто супроводжується істотною деформацією, що обмежує корисність кінцевих металевих деталей. Новий підхід дозволив отримати решітки, які залишалися майже плоскими після термічної обробки.

Дослідники додають, що хоча деформація іноді може бути прийнятною у решіткових структурах, вона стає вкрай шкідливою у плоских або трубчастих структурах. Вони використали новий метод інфузії та осадження для виробництва крихітних плоских залізних шестерень і трубчастих стентів, які добре зберегли свою форму.

Зменшена деформація, досягнута завдяки цьому процесу, розширює діапазон деталей, які можна виготовити, пишуть автори. Ці стенти та шестерні є представниками критично важливих компонентів, що використовуються у біомедичних та механічних пристроях, підкреслюючи негайний потенціал цієї технології для виробництва промислово значущих деталей, які не базуються на решітковій структурі.

Окрім структурних металевих деталей, технологія може також застосовуватися для виготовлення функціональної кераміки. Щоб продемонструвати це, дослідники виготовили тривимірні гіроїдні структури з твердомагнітного стронцієвого гексафериту.

Хоча повторювані цикли інфузії та осадження роблять метод більш тривалим порівняно з іншими технологіями тривимірного друку, які використовуються для перетворення полімерів на метали, Йі каже, що вони вже працюють над скороченням загального часу обробки шляхом використання робота для автоматизації цих етапів.

Нова технологія відкриває можливості для виробництва широкого спектру виробів, від біомедичних імплантатів до механічних компонентів та функціональних керамічних матеріалів. Ключовою перевагою методу є можливість вибору матеріалу вже після формування структури, що надає більшу гнучкість у виробничому процесі та дозволяє використовувати один і той самий базовий шаблон для створення виробів з різних матеріалів.