Badacze zainspirowani naturą do opracowania nadających się do recyklingu polimerów ciekłokrystalicznych do drukowania 3D FDM

Chociaż możliwe jest szybkie wytwarzanie złożonych części przy niskim koszcie przy użyciu druku 3D z użyciem topionego osadzania (FDM), łatwo dostępne polimery są dość słabe, a wypełnione wydruki 3D mają słabą przyczepność. Według grupy badawczej ETH Zürich, która specjalizuje się w drukowaniu złożonych materiałów 3D, jest to jeden z powodów, dla których FDM nie jest z powodzeniem wykorzystywany do wytwarzania produktów komercyjnych.

Wydajność polimerów tradycyjnie wzrosła dzięki dodaniu mocnego, sztywnego, ciągłe włókna w materiale, takie jak szkło lub węgiel, ale opracowanie tych materiałów kompozytowych, które również są trudne do recyklingu, wymaga dużo czasu, wysiłku i drogiego sprzętu. Jednak naukowcy opracowali inspirowane biologicznie podejście do drukowania materiałów polimerowych ciekłego kryształu nadających się do powtórnego wykorzystania (LCP) przy użyciu systemów FDM na komputery stacjonarne

Według informacji prasowej: "Po raz pierwszy naukowcy z grupy Complex Materials i grupa Soft Materials w ETH Zürich, byli w stanie drukować obiekty z jednego nadającego się do recyklingu materiału o właściwościach mechanicznych, które przewyższają wszystkie inne dostępne do druku polimery i mogą konkurować nawet z kompozytami wzmocnionymi włóknami. "

Podczas opracowywania, zespół został zainspirowany dwoma materiałami znajdującymi się w przyrodzie: drewnem i pajęczym jedwabiem, z których ostatnia inspirowała inne innowacje związane z drukowaniem 3D w przeszłości. Białka jedwabne materiału mają wysoki stopień molekularnego wyrównania wzdłuż kierunków włókien, co nadaje pajęczemu jedwabiu "niezrównane właściwości mechaniczne".

Naukowcom udało się powielić to wysokie wyrównanie podczas wytłaczania, stosując LCP jako Materiał surowca FDM. Dało to materiałowi doskonałe właściwości mechaniczne w kierunku osadzania. Ponadto, jego właściwości włókien anizotropowych zostały dobrze wykorzystane przez "dostosowanie lokalnej orientacji ścieżki drukowania zgodnie ze specyficznymi warunkami obciążenia narzuconymi przez środowisko", co zostało zainspirowane tym, jak żywa tkanka, taka jak drewno, może układać włókna wzdłuż jej powierzchni. linie stresu, gdy rośnie i dostosowuje się do otaczającego środowiska.

Zespół opublikował artykuł na temat ich pracy z drukowaniem 3D mocnych LCP, zatytułowany "Trójwymiarowy druk hierarchicznych struktur ciekłokrystaliczno-polimerowych", w Dziennik "Nature".

Streszczenie brzmi: "Struktury polimerowe wzmocnione włóknem są często używane, gdy wymagane są sztywne lekkie materiały, takie jak w samolotach, pojazdach i implantach biomedycznych. Pomimo tego, że są bardzo wysokieSztywność i wytrzymałość, takie lekkie materiały wymagają energochłonnych i pracochłonnych procesów produkcyjnych, wykazują typowo kruche pękanie i są trudne do ukształtowania i recyklingu. Stanowi to wyraźny kontrast w stosunku do lekkich materiałów biologicznych, takich jak kość, jedwab i drewno, które tworzą się poprzez ukierunkowane samoorganizowanie się w złożone, hierarchicznie uporządkowane kształty o wyjątkowych właściwościach mechanicznych i są kolisto zintegrowane z otoczeniem. Tutaj pokazujemy trójwymiarowe (3D) podejście do drukowania, aby wygenerować nadające się do recyklingu lekkie struktury o hierarchicznej architekturze, złożonej geometrii i niespotykanej sztywności i wytrzymałości. Ich cechy powstają w wyniku samoorganizacji cząsteczek ciekłokrystalicznego polimeru w wysoce zorientowanych domenach podczas wytłaczania stopionego materiału wsadowego. Poprzez ukierunkowanie domen molekularnych ścieżką drukowania, jesteśmy w stanie wzmocnić strukturę polimeru zgodnie z oczekiwanymi naprężeniami mechanicznymi, co prowadzi do sztywności, wytrzymałości i wytrzymałości, które przewyższają najnowocześniejsze polimery drukowane 3D o rząd wielkości i są porównywalne z najwyższej klasy lekkimi kompozytami. Możliwość łączenia odgórnej swobody drukowania 3D z oddolną kontrolą molekularną nad orientacją polimeru otwiera możliwość swobodnego projektowania i realizacji struktur bez typowych ograniczeń obecnych procesów produkcyjnych. "

Materiały zespołu, poza tym, że łatwiej poddają się recyklingowi, są o wiele mocniejsze niż typowe drukowane polimery 3D i nie są tak trudne do wyprodukowania. Oznacza to, że teraz powinno być możliwe drukowanie struktur FDM 3D dla przemysłu jako lekkich, strukturalnych części.

"Ponieważ badania przeprowadzono przy użyciu łatwo dostępnego polimeru i komercyjnej drukarki biurkowej, powinno być łatwe dla szerszej społeczności produkujących dodatki i społeczności open source do przyjęcia tego nowego materiału i cyfrowego projektowania i wytwarzania mocnych i złożonych lekkich obiektów z LCP "- podało oświadczenie prasowe ETH Zürich. "W związku z tym oczekuje się, że technologia zmieni środowisko gry w wielu zastosowaniach strukturalnych, biomedycznych i do pozyskiwania energii, a na koniec umożliwi złożenie złożonych części drukowanych z FDM, które naśladują naturalne projekty strukturalne na rynku masowym."