Druk 3D tworzący obiekty na bazie hydrożelu

Druk 3D tworzący obiekty na bazie hydrożelu umożliwia tworzenie gęstych i wytrzymałych obiektów dodając cząsteczki metali.

.Druk 3D metodą fotopolimeryzacji w kadzi polega na utwardzaniu żywicy światłoczułej za pomocą lasera lub światła UV, co pozwala na tworzenie precyzyjnych kształtów. Jednak technika ogranicza się głównie do polimerów, co zmniejsza jej zastosowanie w bardziej wymagających dziedzinach. Próby konwersji wydrukowanych polimerów na metale, czy ceramikę często kończą się porowatymi i słabymi strukturami, podatnymi na skurcz i odkształcenia. Naukowcy z EPFL, pod kierownictwem Daryla Yee z Laboratorium Chemii Materiałów i Produkcji w Szkole Inżynierii, opracowali rozwiązanie, opisane w czasopiśmie Advanced Materials. Ich metoda wykorzystuje hydrożel na bazie wody jako rusztowanie, które następnie nasyca się metalami, umożliwiając tworzenie gęstych i wytrzymałych obiektów.

Zamiast utwardzać żywicę z cząsteczkami metalu, zespół EPFL najpierw drukuje 3D prosty hydrożel jako szablon. Następnie hydrożel nasyca się solami metali, które chemicznie przekształcają się w nanocząstki wnikające w strukturę. Proces powtarza się w 5–10 cyklach, zwiększając stężenie metalu. Na koniec ogrzewanie usuwa pozostałości hydrożelu, pozostawiając czysty metal lub ceramikę o wysokiej gęstości i wytrzymałości.

Dzięki temu, że nasycanie odbywa się po druku, jeden hydrożel może być przekształcany w różne kompozyty, metale czy ceramikę. Yee podkreśla: „Nasza praca nie tylko umożliwia produkcję wysokiej jakości metali i ceramiki za pomocą dostępnego, niskokosztowego druku 3D, ale także wprowadza nowy paradygmat w produkcji addytywnej, gdzie wybór materiału następuje po druku, a nie przed”.

Do demonstracji metody zespół stworzył skomplikowane kształty geometryczne z żelaza, srebra i miedzi. Testy wytrzymałościowe za pomocą maszyn pokazały, że materiały wytrzymują 20 razy większe ciśnienie niż te z tradycyjnych metod, przy skurczu zaledwie 20% w porównaniu do 60–90%.

Metoda jest szczególnie przydatna do tworzenia zaawansowanych struktur 3D, które muszą być jednocześnie lekkie, mocne i złożone. Przykłady zastosowań obejmują czujniki, urządzenia biomedyczne, konwersję i magazynowanie energii. Na przykład, katalizatory metalowe mogą ułatwiać reakcje przekształcające energię chemiczną w elektryczną, a metale o dużej powierzchni mogą służyć do zaawansowanego chłodzenia w technologiach energetycznych.

.Nowa technika EPFL otwiera drzwi do szerszego wykorzystania druku 3D w produkcji wytrzymałych materiałów, pokonując ograniczenia tradycyjnych metod. Chociaż powtarzane cykle nasycania czynią proces czasochłonnym, zespół pracuje nad automatyzacją za pomocą robotów, aby skrócić czas produkcji. Planują także dalsze zwiększanie gęstości materiałów, co ułatwi wdrożenie w przemyśle.

Oprac: SŚ