Дослідники з Міського університету Гонконгу (CityU) знайшли спосіб зробити надруковані на 3D-принтері деталі полімерної решітки в 100 разів міцніші, ніж раніше.
У порівнянні з традиційною термічною обробкою, яка зміцнює пластикові друковані об’єкти за рахунок деформації, підхід CityU просто частково карбонізує їх, щоб зробити їх міцнішими та вдвічі пластичними. Команда каже, що використовуючи їх процес, можна досягти складного 3D-друку з механічними властивостями, адаптованими до конкретних застосувань, таких як коронарні стенти або біоімпланти.
«Дивовижно, що ми знайшли спосіб перетворити тендітні та крихкі 3D-друковані фотополімери в надміцні 3D-структури, які конкурують з металами та сплавами, просто нагрівши їх у правильних умовах», — сказав професор CityU Lu Yang. «Наша робота забезпечує недорогий, простий і масштабований шлях для виготовлення легких, міцних і пластичних механічних метаматеріалів практично будь-якої геометрії».
Гонитва за «святим Граалем» матеріалів
За словами вчених CityU, розробка полімеру, який є легким, але водночас надвисокоміцним і пластичним, вважається «святим Граалем» досліджень і розробок матеріалів, але ці властивості часто є «взаємовиключними».
Це пояснюється тим, що піроліз, процес, який зазвичай використовується для перетворення пластикових деталей на армований вуглець шляхом нагрівання в інертній атмосфері, майже повністю позбавляє початкового полімеру здатності до деформації. Хоча команда визнає, що існують інші методи зміцнення пластику, вони кажуть, що вони також призводять до «вродженої крихкості та низької міцності», що «обмежує структурне застосування [кінцевої частини]».
Зокрема, ці недоліки обмежують виготовлення деталей з «метаматеріалів», які мають властивості, яких не має природна сировина. Деякі їх ітерації можна використовувати для створення мікрорешіток, які поєднують легкі конструкції з якостями матеріалів, з яких вони виготовлені, але дослідники кажуть, що їхні можливості 3D-друку все ще обмежені.
«Міцні та міцні архітектурні компоненти часто потребують металів або сплавів для 3D-друку, але вони недоступні через високу вартість і низьку роздільну здатність комерційних металевих 3D-принтерів і сировини», — додав Ян. «Полімери більш доступні, але їм часто не вистачає механічної міцності або в’язкості».
Розробляйте полімери, які в 100 разів міцніші
У процесі вивчення 3D-друкованих полімерних решіток команда CityU заявила, що вони винайшли спосіб нагріти їх до «магічного» стану часткової карбонізації. Ретельно контролюючи швидкість нагрівання, температуру, тривалість і газове середовище процесу піролізу, вчені виявили, що жорсткість, міцність і пластичність мікроґраток можна збільшити за один крок.
Дослідники зробили це відкриття за допомогою серії методів визначення характеристик, які показали, що повільне нагрівання призводить до того, що полімерні ланцюги матеріалу зазнають неповного перетворення під час піролітичної трансформації. Це створює гібридний матеріал, у якому синергетично співіснують структурно посилені вуглецеві фрагменти та нещільно зшиті полімерні ланцюги, які запобігають розтріскування композиту.
Завдяки подальшим дослідженням і розробкам дослідники виявили, що співвідношення полімеру та вуглецевих фрагментів також є критичним для виробництва деталей, оптимізованих за міцністю та пластичністю. Випробовуючи свою теорію, команда створила кілька тестових відбитків, у яких вони змогли ітераційно розробити карбонізовану решітку, яка була в 100 разів міцнішою та вдвічі більш пластичною, ніж раніше.
Як додатковий бонус, «гібридні вуглецеві» мікрорешітки дослідників також показали кращу біосумісність, ніж їхні базові полімери, і навіть було показано, що вони краще підтримують клітинну біоактивність. Пам’ятаючи про це, команда вважає, що їхній процес можна використовувати для розширення функціональності низки інших полімерів і відкриття нових матеріалів для 3D-друку для медичних, роботизованих та енергетичних пристроїв.
Приклади коронарних стентів, надрукованих 3D з карбонізованих матеріалів