Προσθετική κατασκευή
Το Επόμενο Άλμα στην 3D Εκτύπωση είναι η Καλλιέργεια Ισχυρών Μετάλλων
Οι επιστήμονες από το École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) έχουν δημιουργήσει μια νέα μέθοδο 3D εκτύπωσης που μπορεί να μετατρέψει απλά υδρόζελα σε υψηλών επιδόσεων μέταλλα και κεραμικά.
Έχουν ουσιαστικά καλλιεργήσει μέταλλο επιτρέποντας πολλαπλές ενυδάτωση με άλατα μετάλλων που σχηματίζουν εξαιρετικά ισχυρές και πυκνές δομές χωρίς την πορώδητητα των προηγούμενων μεθόδων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα μέταλλα που δημιουργήθηκαν με τη νέα τεχνική είναι 20 φορές πιο ισχυρά και έχουν πολύ λιγότερη συρρίκνωση.
Αυτή η πρόοδος υπόσχεται αποδοτική παραγωγή συσκευών επόμενης γενιάς για ενέργεια, αισθητήρες και βιοϊατρικές εφαρμογές.
Γιατί τα Αρχιτεκτονικά Υλικά Χρειάζονται Καλύτερη Μεταλλική 3D Εκτύπωση
Ως η βάση της κατασκευής, του κτιρίου, της μηχανικής και της τεχνολογίας, τα υλικά επηρεάζουν άμεσα τη λειτουργικότητα, τη διάρκεια και την ασφάλεια όλων, από κτίρια μέχρι ηλεκτρονικά, μεταφορές και υγειονομική περίθαλψη.
Αυτό καθιστά σημαντικό να δημιουργηθούν νέα υλικά ή να βελτιωθούν τα υπάρχοντα ώστε να καλύψουν συγκεκριμένες ανάγκες, να λύσουν προβλήματα και να προωθήσουν την πρόοδο σε διάφορους κλάδους.
Μια καινοτόμος και κρίσιμη προσέγγιση για την επίτευξη αυτού είναι μέσω του σχεδιασμού αρχιτεκτονικών υλικών, μια διαδικασία που ενισχύει τις ιδιότητες των υλικών σε σύγκριση με τα απλά τους αντίστοιχα, σχεδιάζοντας την εσωτερική τους δομή σε πολλαπλές κλίμακες.
Αυτή η αναδυόμενη κατηγορία υλικών χρησιμοποιεί 3D γεωμετρία δομής για να αποκτήσει λειτουργίες και ιδιότητες που διαφορετικά δεν είναι προσβάσιμες μόνο μέσω σύνθεσης και/ή βελτιστοποίησης μικροδομής.
Καθώς η κατανόησή μας για τις σχέσεις αρχιτεκτονικής-ιδιοτήτων και τα εργαλεία κατασκευής εξελίχθηκαν, έτσι εξελίχθηκε και η ανάπτυξη αυτών των 3D νανο- και μικρο-αρχιτεκτονικών υλικών με νέες ή βελτιωμένες ιδιότητες, που κυμαίνονται από ακραίες μηχανικές συμπεριφορές μέχρι εξωτικές οπτικές ιδιότητες που απλώς δεν μπορούν να επιτευχθούν με παραδοσιακά επεξεργασμένα υλικά. Με αυτόν τον τρόπο, τα αρχιτεκτονικά υλικά βοηθούν στην αντιμετώπιση της αυξανόμενης ζήτησης για υψηλών επιδόσεων συσκευές και επιτρέπουν σύνθετες τεχνολογίες.
Αυτά τα υλικά κατασκευάζονται επί του παρόντος using προσθετική κατασκευή (AM) τεχνολογίες λόγω της ικανότητάς τους να παράγουν σύνθετες 3D δομές σε ευρύ φάσμα κλιμάκων μήκους. Μεταξύ των διαφορετικών διαδικασιών AM, η φωτοπολυμερισμός λεκάνης (VP) χρησιμοποιείται ευρέως καθώς επιτρέπει μικρά μεγέθη και γρήγορες ταχύτητες.
Σε αυτή τη μέθοδο 3D εκτύπωσης, ένα φωτοευαίσθητο ρητίνη τοποθετείται σε μια λεκάνη, και στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας λέιζερ ή υπεριώδη ακτινοβολία, σκληραίνει επιλεκτικά στο απαιτούμενο σχήμα.
Αυτή η διαδικασία, ωστόσο, χρησιμοποιείται μόνο με φωτοευαίσθητα πολυμερή και αντιμετωπίζει προκλήσεις στην κατασκευή μη-πολυμερικών υλικών με αυτήν. Με τα πολυμερή να έχουν περιορισμένες δομικές και λειτουργικές ιδιότητες, αυτό περιορίζει τις περιπτώσεις χρήσης των συσκευών που κατασκευάζονται με VP.
Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μεθόδους για να επιτρέψουν το VP μη-φωτοπολυμερισμένων υλικών όπως μέταλλα και κεραμικά. Αυτό περιλαμβάνει τη χρήση υβριδικού φωτορητινικού (συνδυάζοντας ανόργανες και οργανικές συνιστώσες) ή φωτοευαίσθητης σάλτσας, αλλά αντιμετωπίζει προκλήσεις με τη διάχυση του φωτός, τις ιξώδεις ιδιότητες και περιορισμένες συνθέσεις υλικών.
Ως αποτέλεσμα, η χρήση διαλυμάτων αλατιού μετάλλων έχει αναδειχθεί ως μια υποσχόμενη προσέγγιση, η οποία είναι ευέλικτη και εμπορικά διαθέσιμη. Ωστόσο, αυτή συνοδεύεται από σημαντική συρρίκνωση, προκαλώντας πορώδη, παραμόρφωση και δομική ζημιά.
Για να αντιμετωπιστούν αυτές οι προκλήσεις, οι ερευνητές του EPFL έχουν αναπτύξει μια νέα ευέλικτη μέθοδο για την κατασκευή πυκνών αρχιτεκτονικών μετάλλων και κεραμικών με χαμηλές γραμμικές συρρικνώσεις μετατροπής.
Αυτό που έχουν κάνει είναι, έχουν καλλιεργήσει μέταλλα σε υδρόζελο, που οδηγεί σε αξιοσημείωτα πυκνές αλλά πολύπλοκες κατασκευές για προηγμένη τεχνολογία.
Τα υδρόζελα είναι πολυμερικά υλικά που κατασκευάζονται κυρίως από νερό. Όταν ενυδατώνονται, γίνονται σαν ζελέ. Επειδή είναι βιοσυμβατά, χρησιμοποιούνται σε ευρύ φάσμα ιατρικών και άλλων εφαρμογών. Αυτά τα υλικά, ωστόσο, υποφέρουν από επαναλαμβανόμενη μηχανική καταπόνηση και μπορούν εύκολα να παραμορφωθούν.
“Το πρόβλημα με τα υπάρχοντα υδρόζελα είναι ότι μπορούν να είναι μηχανικά αδύναμα και έτσι χρειάζονται ενίσχυση,” είπε ο Αναπληρωτής Καθηγητής Koichi Mayumi από το Ινστιτούτο Στερεάς Κατάστασης (ISSP) στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο, ο οποίος έχει δημιουργήσει1 ένα υδρόζελο που εμφανίζει ανθεκτικότητα παρόμοια με καουτσούκ και δυνατότητα ανάκτησης ενώ διατηρεί την ευελιξία.
Μια πρόσφατη μελέτη2, εν τω μεταξύ, χρησιμοποίησαν υδρόζελα για να δείξουν τη δυνατότητα των μη-ζωντανών υλικών να χρησιμοποιούν ‘μνήμη’ για να ενημερώνουν την αντίληψή τους για το περιβάλλον. Έδειξαν ότι «η μνήμη αναδύεται μέσα στα υδρόζελα» κάνοντας μη-ζωντανά υδρόζελα (που μπορούν να ανταποκριθούν σε ηλεκτρική διέγερση) να παίζουν το βιντεοπαιχνίδι Pong και να βελτιώνουν την ακρίβειά τους έως και 10% μέσω πρακτικής.
Τώρα, οι ερευνητές του EPFL έχουν μετατρέψει αυτά τα μαλακά υδρόζελα σε εξαιρετικά ισχυρά μέταλλα και κεραμικά χρησιμοποιώντας μια ισχυρή νέα μέθοδο 3D εκτύπωσης.
Ένας Νέος Τρόπος για 3D Εκτύπωση Ισχυρών Μετάλλων
Με άλλες μεθόδους 3D εκτύπωσης που δημιουργήθηκαν για τη μετατροπή τυπωμένων πολυμερών σε πιο ανθεκτικά υλικά, αντιμετωπίζοντας σοβαρά δομικά προβλήματα, «αυτά τα υλικά τείνουν να είναι πορώδη, κάτι που μειώνει σημαντικά τη δύναμή τους, και τα εξαρτήματα υποφέρουν από υπερβολική συρρίκνωση, η οποία προκαλεί παραμόρφωση», οι ερευνητές δημιούργησαν μια μοναδική λύση στο πρόβλημα.
Οι ερευνητές του EPFL έχουν πρωτοπορήσει σε μια μέθοδο 3D εκτύπωσης που ονομάζεται προσθήκη υδρόζελ μέσω προσθετικής κατασκευής (HIAM).
Στην πιο πρόσφατη μελέτη, δημοσιεύτηκε στο Advanced Materials3, οι ερευνητές σημείωσαν ότι παρά τα οφέλη του όσον αφορά την ευελιξία και την προσβασιμότητα, η χρησιμότητα της νέας μεθόδου περιορίζεται από τις συρρικνώσεις 50%-90% που συμβαίνουν κατά τη διαδικασία μετατροπής πολυμερούς σε κεραμικό, προκαλώντας μεγάλη πορώδη, ρωγμές και παραμόρφωση στα τελικά εξαρτήματα, τα οποία συχνά τα καθιστούν πολύ εύθραυστα για πρακτική χρήση. Έτσι, χρησιμοποιούν επίσης μια στρατηγική ενυδάτωσης-κατακρήμνισης μετά την κατασκευή.
Αντί να χρησιμοποιούν φως για να στερεώσουν ένα ρητίνη προ-ενυδατωμένο με προ-προεγκεκριμένα μέταλλα, η ομάδα του EPFL δημιούργησε πρώτα ένα 3D σκελετό από υδρόζελο.
Στη συνέχεια, το «άδειο» υδρόζελο ενυδρώνεται με διαφορετικές διαλύσεις αλατιού μετάλλων πριν υποβληθεί σε θερμική επεξεργασία για να μετατραπεί σε νανοσωματίδια που περιέχουν μέταλλα και διεισδύουν στη δομή. Επαναλαμβάνοντας τη διαδικασία, μπορούν να δημιουργηθούν σύνθετα υλικά με πολύ υψηλές συγκεντρώσεις μετάλλου.
Ακολουθώντας πέντε έως δέκα τέτοιους «κύκλους ανάπτυξης», το τελικό βήμα περιλαμβάνει θέρμανση που καίει το υπόλοιπο υδρόζελο. Αυτό αφήνει πίσω το τελικό προϊόν, δηλαδή ένα κεραμικό ή μεταλλικό αντικείμενο σε σχήμα του αρχικού άδειου πολυμερούς που είναι πολύ ισχυρό και πυκνό.
Η ενυδάτωση αλατιών μετάλλων σε υδρόζελα μόνο μετά την κατασκευή σημαίνει ότι μόνο ένα υδρόζελο μπορεί να τροποποιηθεί σε πολλά διαφορετικά σύνθετα, μέταλλα ή κεραμικά.
Δεν μόνο μπορεί μια ενιαία σύνθεση ρητίνης να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή σχεδόν άπειρης σειράς μη-πολυμερικών υλικών, αλλά αυτή η μελέτη επίσης αναδεικνύει ένα νέο παράδειγμα AM όπου η επιλογή υλικού δεν συμβαίνει πριν, αλλά μετά την 3D εκτύπωση.
Έτσι, η νέα τεχνική «επιτρέπει την κατασκευή υψηλής ποιότητας μετάλλων και κεραμικών με μια προσιτή, χαμηλού κόστους διαδικασία 3D εκτύπωσης», είπε ο Daryl Yee, επικεφαλής του Εργαστηρίου Χημείας Υλικών και Κατασκευής (ALCHEMY) στο Σχολή Μηχανικής του EPFL.
Η εστίαση στο ALCHEMY είναι στην ενσωμάτωση της επιστήμης υλικών, του μοριακού σχεδιασμού και της προηγμένης κατασκευής για τη δημιουργία προηγμένων λειτουργικών υλικών που μπορούν να αντιμετωπίσουν κοινωνικές προκλήσεις στην υγειονομική περίθαλψη, την ενέργεια και την κλιματική αλλαγή.
Χρησιμοποιώντας τη μέθοδό τους, η ομάδα του EPFL κατέστρωσε επιτυχώς μια ποικιλία πολύπλοκων 3D μεταλλικών και κεραμικών δομών. Δημιούργησαν σύνθετα μαθηματικά πλέγματα που ονομάζονται γυροειδή από χαλκό, άργυρο και σίδηρο.
Η κατασκευή των Fe2O3, SrFe12O19, Fe, Cu και Ag πέτυχε πυκνότητες που πλησιάζουν το 88–89% της θεωρητικής και συρρικνώσεις 20–40% (ανάλογα με τη σύνθεση), αποδεικνύοντας την ικανότητα της τεχνικής να δημιουργεί ισχυρές και πολύπλοκες δομές. Χρησιμοποιήθηκε επίσης ένα παγκόσμιο μηχάνημα δοκιμών για να δοκιμάσει τη δύναμη των υλικών εφαρμόζοντας αυξανόμενη πίεση στα γυροειδή.
«Τα υλικά μας θα μπορούσαν να αντέξουν 20 φορές μεγαλύτερη πίεση σε σύγκριση με εκείνα που παράχθηκαν με προηγούμενες μεθόδους, ενώ παρουσίασαν μόνο 20% συρρίκνωση αντί για 60-90%.»
– Μεταπτυχιακός φοιτητής και πρώτος συγγραφέας Yiming Ji
Σύμφωνα με τους επιστήμονες, η νεοαναπτυγμένη τεχνική βασισμένη στην ενυδάτωση-κατακρήμνιση υπόσχεται την κατασκευή προηγμένων αρχιτεκτονικών υλικών και 3D δομών που πρέπει να είναι ταυτόχρονα πολύπλοκες, ελαφριές και ισχυρές, όπως βιοϊατρικές συσκευές, αισθητήρες ή συσκευές για μετατροπή και αποθήκευση ενέργειας.
Στα επόμενα βήματα, η ομάδα θα εστιάσει στη βελτίωση της διαδικασίας τους, ειδικά στην περαιτέρω αύξηση της πυκνότητας των υλικών, για την εμπορευματοποίησή τους.
Η ταχύτητα είναι ένας άλλος στόχος. Ενώ οι επαναλαμβανόμενες ενυδάτωσεις είναι σημαντικές για την παραγωγή ισχυρότερων υλικών, αυτά τα βήματα καθιστούν τη μέθοδο χρονοβόρα. «Ήδη εργαζόμαστε για τη μείωση του συνολικού χρόνου επεξεργασίας χρησιμοποιώντας ρομπότ για την αυτοματοποίηση αυτών των βημάτων», είπε ο Yee.
Σύρετε για κύλιση →
| Μέθοδος | Υλικά | Τυπική Συρρίκνωση | Πορώδης/Ελαττώματα | Αναφερόμενη Δύναμη | Σημειώσεις |
|---|---|---|---|---|---|
| VP με υβριδικά φωτορητίνες/σάλτσες | Κεραμικά/μέταλλα (περιορισμένα) | Υψηλή (συχνά 60–90%) | Προβλήματα διάχυσης φωτός & ιξώδους → πόρους/παραμόρφωση | Χαμηλότερη (περιορισμένη από πορώδη) | Προ-ενυδατωμένο· περιορισμένες επιλογές σύνθεσης |
| Προηγούμενες προσεγγίσεις HIAM | Διαλύματα αλατιού μετάλλων | ~60–90% | Σημαντική πορώδης/παραμόρφωση | Περιορισμένη από ελαττώματα | Επιλογή υλικού πριν την εκτύπωση· αστάθειες μετατροπής |
| EPFL HIAM + επανειλημμένη ενυδάτωση-κατακρήμνιση | Fe₂O₃, SrFe₁₂O₁₉, Fe, Cu, Ag | ~20–40% (as low as ~20%) | Πυκνά εξαρτήματα· μειωμένη παραμόρφωση | ≈20× υψηλότερο συμπιεστικό φορτίο σε σχέση με προηγούμενες μεθόδους | Το υλικό επιλέγεται μετά την εκτύπωση· θεωρητική πυκνότητα ~88–89% |
Πού Πηγαίνει η Προσθετική Κατασκευή Στο Μέλλον;
Η προσθετική κατασκευή είναι μία από τις πιο διαταρακτικές τεχνολογίες της εποχής μας, δημιουργώντας 3D αντικείμενα στρώμα προς στρώμα χρησιμοποιώντας ψηφιακό σχεδιασμό και μια ευρεία γκάμα υλικών, όπως μέταλλο, πλαστικό, και σκυρόδεμα.
Αυτή η τεχνολογία είναι βολική, ευέλικτη και ικανή να κατασκευάζει γρήγορα πολύπλοκες γεωμετρικές δομές. Επίσης μειώνει τα απόβλητα υλικών, επιτρέπει υψηλή προσαρμοστικότητα και βελτιώνει την απόδοση των ευέλικτων συσκευών.
Το παγκόσμιο μέγεθος της αγοράς AM εκτιμάται ότι είναι περίπου $25 δισεκατομμύρια το 2025 και αναμένεται να αυξηθεί πάνω από $125 δισεκατομμύρια μέχρι το 2032. Παράλληλα, ο συνολικός αριθμός των 3D εκτυπωτών που αποστέλλονται παγκοσμίως ήταν 2,2 εκατομμύρια το 2021 και αναμένονται να φτάσουν τις 21,5 εκατομμύρια μονάδες μέχρι το τέλος της δεκαετίας.
Αυτοί οι αριθμοί αντικατοπτρίζουν μια αυξανόμενη υιοθέτηση της τεχνολογίας, η οποία δεν περιορίζεται μόνο στα εργαστήρια. Είναι όλο και πιο συχνά χρησιμοποιείται για την κατασκευή σπιτιών, παπουτσιών, VR ακουστικών, αυτο-θεραπευόμενα βιοδιασπώμενα υλικά4, και πολλά άλλα.
Πρόσφατα, οι ερευνητές του Empa ανακοίνωσαν την ανάπτυξη ενός 3D-τυπωμένου βιοσυμβατού εμφυτεύματος κερατοειδούς που μπορεί να επισκευάσει μόνιμα τη ζημιά στο μάτι.
Με εκατομμύρια ανθρώπους παγκοσμίως να επηρεάζονται από ζημιά κερατοειδούς, μόνο ένα μικρό ποσοστό μπορεί να θεραπευτεί με μεταμόσχευση κερατοειδούς. Η ανάπτυξη προσαρμοσμένων αυτο-επικολλητικών εμφυτευμάτων που καθίσταται δυνατή από την 3D εξώθηση βιοεκτύπωσης μπορεί να αλλάξει εντελώς το παιχνίδι.
Το εμφύτευμα κατασκευάζεται από βιοσυμβατό υδρόζελο, το οποίο θα φορτωθεί αργότερα με ανθρώπινα βλαστοκύτταρα από το μάτι για την υποστήριξη της αναγέννησης του ιστού.
Ενώ οι εφαρμογές AM συνεχίζουν να αυξάνονται, οι επιστήμονες επίσης λύνουν μερικές από τις πιο επίμονες τεχνικές προκλήσεις της 3D εκτύπωσης. Ερευνητές από το Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge (ORNL) δημιούργησαν μια τεχνική εξώθησης με υποβοήθηση κενού5 που μπορεί να μειώσει την εσωτερική πορώδη των πολυμερικών εξαρτημάτων κατά 75%, αντιμετωπίζοντας έτσι το πρόβλημα που εμποδίζει την μεγάλης κλίμακας προσθετική κατασκευή (LFAM).
Η εσωτερική πορώδης μειώνει την αντοχή των τυπωμένων εξαρτημάτων, και μειώνοντας αυτό είναι σημαντικό για την ενίσχυση της συνολικής απόδοσης.
Αυτό που έκαναν οι ερευνητές ήταν ότι κατά τη διαδικασία εξώθησης, ενσωμάτωσαν ένα δοχείο κενού, το οποίο αφαίρεσε παγιδευμένα αέρια και ελαχιστοποίησε το σχηματισμό κενών σε ενισχυμένα με ίνες υλικά <span data-pres
