Ερευνητές στην École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ανέπτυξαν μια μέθοδο τρισδιάστατης εκτύπωσης στην οποία δεν «εκτυπώνεται» απευθείας το μέταλλο ή το κεραμικό, αλλά πρώτα δημιουργείται ένας τρισδιάστατος σκελετός από υδρογέλη. Στη συνέχεια, ο σκελετός αυτός εμποτίζεται με άλατα μετάλλων και ακολουθεί χημική καταβύθιση στο εσωτερικό της δομής, ώστε να σχηματιστούν νανοσωματίδια που διαχέονται ομοιόμορφα μέσα στο υλικό. Η προκύπτουσα δομή δεν είναι μόνο γεωμετρικά εντυπωσιακή αλλά και μηχανικά αξιόπιστη.
Ο φωτοπολυμερισμός Vat είναι είναι μια τεχνική τρισδιάστατης εκτύπωσης κατά την οποία μια φωτοευαίσθητη ρητίνη εγχύεται σε ένα δοχείο και στη συνέχεια σκληραίνει επιλεκτικά στο επιθυμητό σχήμα, χρησιμοποιώντας λέιζερ ή υπεριώδη ακτινοβολία. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται κυρίως μόνο με φωτοευαίσθητα πολυμερή, γεγονός που περιορίζει το εύρος εφαρμογής της.
Ενώ έχουν αναπτυχθεί ορισμένες μέθοδοι τρισδιάστατης εκτύπωσης για τη αντικατάσταση αυτών των τυπωμένων πολυμερών από σκληρότερα μέταλλα και κεραμικά, ο Daryl Yee, επικεφαλής του Εργαστήριο Χημείας Υλικών και Κατασκευής στη Σχολή Μηχανικών του EPFL, εξηγεί ότι τα υλικά που παράγονται με αυτές τις τεχνικές αντιμετωπίζουν σοβαρά δομικά μειονεκτήματα: την υψηλά πορώδη δομή και τη μεγάλη συρρίκνωση. Η ομάδα αναφέρει ότι τα παραγόμενα υλικά με τη δική τους μέθοδο άντεξαν περίπου 20 φορές μεγαλύτερη πίεση από αντίστοιχα υλικά προηγούμενων μεθόδων, ενώ η συρρίκνωση ήταν περίπου 20%, έναντι 60–90% σε άλλες τεχνικές.
Πιο συγκεκριμένα, ο Yee και η ομάδα του δημοσίευσαν μια εργασία στο επιστημονικό περιοδικό Advanced Materials. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι αντί να χρησιμοποιήσουν φως για να σκληρύνει μια ρητίνη που έχει προεγχυθεί και περιλαμβάνει πρόδρομες μεταλλικές ουσίες, όπως έχουν κάνει οι προηγούμενες μέθοδοι, η ομάδα της EPFL δημιουργεί πρώτα έναν τρισδιάστατο σκελετό από υδρογέλη. Στη συνέχεια, ο σκελετός αυτός εμποτίζεται με άλατα μετάλλων και ακολουθεί χημική καταβύθιση στο εσωτερικό της δομής, ώστε να σχηματιστούν νανοσωματίδια που διαχέονται ομοιόμορφα μέσα στο υλικό.
Η ερευνητική ομάδα παρουσίασε δομές τύπου gyroid από σίδηρο, άργυρο και χαλκό, δείχνοντας ότι η μέθοδος μπορεί να παράγει πολύπλοκες, ελαφρές αλλά και μηχανικά ανθεκτικές γεωμετρίες. Γι’ αυτό προτείνεται ως πολλά υποσχόμενη για εφαρμογές σε αισθητήρες, βιοϊατρικές διατάξεις και τεχνολογίες μετατροπής ή αποθήκευσης ενέργειας, όπου απαιτούνται ταυτόχρονα υψηλή επιφάνεια, γεωμετρική πολυπλοκότητα και καλή μηχανική συμπεριφορά.
Καθοριστικό στοιχείο της προσέγγισης είναι οι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι εμποτισμού και καταβύθισης. Με αυτούς αυξάνεται σταδιακά η περιεκτικότητα της δομής σε υδρογέλη, χωρίς να χάνεται η γεωμετρική πολυπλοκότητα του αρχικού εκτυπωμένου αντικειμένου. Μετά από πολλαπλούς κύκλους (συνήθως 5 έως 10), ακολουθεί θερμική κατεργασία, κατά την οποία απομακρύνεται η οργανική φάση της υδρογέλης και παραμένει το τελικό μεταλλικό ή κεραμικό σώμα.
«Η δουλειά μας όχι μόνο επιτρέπει την κατασκευή μετάλλων και κεραμικών υψηλής ποιότητας με μια προσιτή και οικονομική διαδικασία τρισδιάστατης εκτύπωσης, αλλά αποτελεί μια νέα προσέγγιση όπου η επιλογή υλικών πραγματοποιείται μετά την τρισδιάστατη εκτύπωση και όχι πριν από αυτήν», συνοψίζει ο Yee.
Στόχευση σε προηγμένες αρχιτεκτονικές 3D
Για τη μελέτη τους, οι ερευνητές κατασκεύασαν περίπλοκες 3D γεωμετρίες -gyroids- από σίδηρο, άργυρο και χαλκό, για να αποδειχθεί η ικανότητα της μεθόδου να διατηρεί πολύπλοκες, συνεχείς δομές κατά τη μετατροπή από υδρογέλη σε μέταλλο/κεραμικό. Για να δοκιμάσουν την αντοχή των υλικών τους, χρησιμοποίησαν μια συσκευή που ονομάζεται καθολική μηχανή δοκιμών (Universal Testing Machine, UTM) για να ασκήσουν αυξανόμενη πίεση στα gyroids.
«Η εργασία μας αναδεικνύει ένα νέο παράδειγμα στην προσθετική κατασκευή, όπου η επιλογή υλικού γίνεται μετά την τρισδιάστατη εκτύπωση και όχι πριν», σημειώνει ο Daryl Yee, επικεφαλής του εργαστηρίου ALCHEMY. «Τα υλικά μας μπορούσαν να αντέξουν 20 φορές μεγαλύτερη πίεση σε σύγκριση με αυτά που παράγονταν με προηγούμενες μεθόδους, ενώ παρουσίαζουν μόνο 20% συρρίκνωση έναντι 60-90% των άλλων μεθόδων», λέει ο διδακτορικός φοιτητής και πρώτος συγγραφέας Yiming Ji. Επιπλέον, η UTM απέδειξε ότι οι εκτυπωμένες και μετατραπείσες gyroid δομές δεν είναι μόνο γεωμετρικά εντυπωσιακές, αλλά και μηχανικά αξιόπιστες.
Οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η τεχνική τους είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα για την κατασκευή προηγμένων τρισδιάστατων αρχιτεκτονικών που πρέπει να είναι ταυτόχρονα ισχυρές, ελαφριές και πολύπλοκες, όπως αισθητήρες, βιοϊατρικές συσκευές ή συσκευές μετατροπής και αποθήκευσης ενέργειας. Για παράδειγμα, ανάλογες δομές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε μεταλλικούς καταλύτες, οι οποίοι είναι απαραίτητοι για την ενεργοποίηση αντιδράσεων που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Άλλες εφαρμογές θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν μέταλλα υψηλού δείκτη επιφάνειας με προηγμένες ιδιότητες ψύξης για ενεργειακές τεχνολογίες.
Σε επόμενο στάδιο, η ομάδα εργάζεται για τη βελτίωση της διαδικασίας της, ώστε να διευκολύνει την υιοθέτηση της από τη βιομηχανία, κυρίως αυξάνοντας περαιτέρω την πυκνότητα των υλικών της. Ένας άλλος στόχος είναι η ταχύτητα: τα επαναλαμβανόμενα βήματα έγχυσης, αν και απαραίτητα για την παραγωγή ισχυρότερων υλικών, καθιστούν τη μέθοδο πιο χρονοβόρα σε σύγκριση με άλλες τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης για τη μετατροπή πολυμερών σε μεταλλικα΄ εξαρτήματα. «Εργαζόμαστε ήδη για τη μείωση του συνολικού χρόνου επεξεργασίας χρησιμοποιώντας ένα ρομπότ για την αυτοματοποίηση αυτών των βημάτων», λέει ο Yee.
Με πληροφορίες από actu.epfl.ch
