Изследователи от Градския университет на Хонг Конг (CityU) са измислили начин да направят 3D отпечатани части от полимерна решетка 100 пъти по-здрави от преди.
В сравнение с традиционните топлинни обработки, които укрепват пластмасовите отпечатани предмети за сметка на деформируемостта, подходът на CityU просто ги карбонизира частично, за да ги направи по-здрави и два пъти по-пластични. Използвайки техния процес, екипът казва, че е възможно да се постигне сложен 3D печат с механични свойства, пригодени за специфични приложения, като коронарни стентове или биоимпланти.
„Удивително е, че открихме начин да преобразуваме крехки и крехки 3D отпечатани фотополимери в ултра здрави 3D структури, които се конкурират с метали и сплави, просто като ги нагреем при правилните условия“, каза професорът Лу Янг от CityU. „Нашата работа осигурява евтин, прост и мащабируем маршрут за производство на леки, здрави и ковки механични метаматериали с практически всякаква геометрия.“
Преследване на "Светия Граал" на материалите
Според учените от CityU, разработването на полимер, който е лек, но същевременно свръхвисока якост и пластичен в същото време, се счита за „свещения граал“ на изследването и разработването на материали, но тези свойства често са „взаимно изключващи се“.
Това е така, защото пиролизата, процес, който обикновено се използва за превръщане на пластмасови части в подсилен въглерод чрез нагряване в инертна атмосфера, премахва почти цялата деформируемост на оригиналния полимер. Въпреки че екипът признава, че съществуват други методи за укрепване на пластмаса, те казват, че те също водят до „присъща крехкост и ниска якост“, които „ограничават структурните приложения [на крайната част]“.
По-специално, тези недостатъци ограничават производството на части от "метаматериали", които са проектирани да имат свойства, които не се срещат в естествените суровини. Някои итерации от тях могат да се използват за създаване на микро решетки, които комбинират леки структурни дизайни с качествата на материалите, от които са направени, но изследователите казват, че техните възможности за 3D печат все още са ограничени.
„Силните и здрави архитектурни компоненти често изискват метали или сплави за 3D печат, но те не са лесно достъпни поради високата цена и ниската разделителна способност на търговските метални 3D принтери и суровини“, добави Янг. "Полимерите са по-лесно достъпни, но често им липсва механична якост или издръжливост."
Разработвайте полимери, които са 100 пъти по-здрави
В процеса на изучаване на 3D отпечатани полимерни решетки, екипът на CityU каза, че е измислил начин да ги нагрее до "магическо" състояние на частична карбонизация. Чрез внимателно контролиране на скоростта на нагряване, температурата, продължителността и газовата среда на процеса на пиролиза, учените установиха, че твърдостта, здравината и пластичността на микро решетките могат да бъдат увеличени в една стъпка.
Изследователите са направили това откритие чрез серия от техники за характеризиране, които разкриват, че бавното нагряване кара полимерните вериги на материала да претърпят непълна трансформация по време на пиролитичната трансформация. Това създава хибриден материал, в който структурно подсилени въглеродни фрагменти и хлабаво омрежени полимерни вериги, които предотвратяват напукването на композита, съществуват съвместно синергично.
Чрез по-нататъшни изследвания и развойна дейност изследователите откриха, че съотношението между полимер и въглеродни фрагменти също е критично за производството на части, оптимизирани за здравина и пластичност. Подлагайки теорията си на тест, екипът създаде няколко тестови отпечатъка, в които успяха да разработят итеративно карбонизирана решетка, която беше 100 пъти по-здрава и два пъти по-пластична от преди.
Като допълнителен бонус, "хибридните въглеродни" микрорешетки на изследователите също показват по-добра биосъвместимост от техните основни полимери и дори е доказано, че поддържат по-добре клетъчната биоактивност. Имайки предвид това, екипът вярва, че техният процес може да се използва за разширяване на функционалността на различни други полимери и отключване на нови материали за 3D печат за медицински, роботизирани и енергийни устройства.
Примери за коронарни стентове, 3D отпечатани от карбонизирани материали