Исследователи из Городского университета Гонконга (CityU) нашли способ сделать 3D-печатные решетчатые детали из полимера в 100 раз прочнее, чем раньше.
По сравнению с традиционной термической обработкой, которая укрепляет пластиковые печатные объекты за счет способности к деформации, подход CityU просто частично обугливает их, чтобы сделать их более прочными и в два раза более пластичными. Команда говорит, что используя их процесс, можно добиться сложной 3D-печати с механическими свойствами, адаптированными к конкретным приложениям, таким как коронарные стенты или биоимплантаты.
«Удивительно, что мы нашли способ превращать хрупкие и хрупкие 3D-печатные фотополимеры в сверхпрочные 3D-структуры, которые могут конкурировать с металлами и сплавами, просто нагревая их в правильных условиях», — сказал профессор CityU Лу Ян. «Наша работа обеспечивает недорогой, простой и масштабируемый способ изготовления легких, прочных и податливых механических метаматериалов практически любой геометрии».
В погоне за «Святым Граалем» материалов
По словам ученых CityU, разработка полимера, который был бы легким, но в то же время сверхвысокопрочным и пластичным, считается «Святым Граалем» исследований и разработок материалов, но эти свойства часто являются «взаимоисключающими».
Это связано с тем, что пиролиз, процесс, обычно используемый для преобразования пластиковых деталей в армированный углерод путем нагревания в инертной атмосфере, лишает исходный полимер почти всей деформируемости. Хотя команда признает, что существуют и другие методы пластического упрочнения, они говорят, что они также приводят к «присущей хрупкости и низкой ударной вязкости», что «ограничивает структурное применение [конечной детали]».
В частности, эти недостатки ограничивают изготовление деталей из «метаматериалов», которые обладают свойствами, отсутствующими в природном сырье. Некоторые их итерации можно использовать для создания микрорешеток, которые сочетают в себе легкие структурные конструкции с качествами материалов, из которых они сделаны, но исследователи говорят, что их возможности 3D-печати все еще ограничены.
«Для прочных и жестких архитектурных компонентов для 3D-печати часто требуются металлы или сплавы, но они недоступны из-за высокой стоимости и низкого разрешения коммерческих 3D-принтеров и исходных материалов для металла», — добавил Ян. «Полимеры более доступны, но им часто не хватает механической прочности или ударной вязкости».
Разработать полимеры, которые в 100 раз прочнее
В процессе изучения полимерных решеток, напечатанных на 3D-принтере, команда CityU сообщила, что они придумали способ нагреть их до «волшебного» состояния частичной карбонизации. Тщательно контролируя скорость нагрева, температуру, продолжительность и газовую среду процесса пиролиза, ученые обнаружили, что жесткость, прочность и пластичность микрорешеток можно увеличить за один шаг.
Исследователи сделали это открытие с помощью ряда методов определения характеристик, которые показали, что медленное нагревание приводит к неполному превращению полимерных цепей материала во время пиролитического превращения. Это создает гибридный материал, в котором синергетически сосуществуют структурно усиленные углеродные фрагменты и слабо сшитые полимерные цепи, которые предотвращают растрескивание композита.
В ходе дальнейших исследований и разработок исследователи обнаружили, что соотношение полимера и углеродных фрагментов также имеет решающее значение для производства деталей, оптимизированных с точки зрения прочности и пластичности. Проверяя свою теорию, команда создала несколько тестовых отпечатков, на которых им удалось итеративно разработать карбонизированную решетку, которая стала в 100 раз прочнее и вдвое пластичнее, чем раньше.
В качестве дополнительного бонуса, микрорешетки «гибридного углерода» исследователей также продемонстрировали лучшую биосовместимость, чем их базовые полимеры, и даже лучше поддерживали клеточную биоактивность. Имея это в виду, команда считает, что их процесс может быть использован для расширения функциональности множества других полимеров и открытия новых материалов для 3D-печати для медицинских, роботизированных и энергетических устройств.
Примеры коронарных стентов, напечатанных на 3D-принтере из карбонизированных материалов