Исследователи из Техасского университета A&M в сотрудничестве с учеными из компании Essentium, Inc. разработали технологию, необходимую для преодоления "слабого места 3D-печати".«Интегрируя науку о плазме и технологию углеродных нанотрубок в стандартную 3D-печать, исследователи сварили смежные печатные слои более эффективно, повысив общую надежность конечной детали.
«Поиск способа исправить недостаточное сцепление между напечатанными слоями было постоянным поиском в области 3D-печати», – сказал Мика Грин, доцент кафедры химического машиностроения имени Арти Макферрина. «Теперь мы разработали сложную технологию, которая может усилить сварку между этими слоями при печати 3D-детали."
Их выводы были опубликованы в февральском номере журнала Nano Letters.
Пластмассы обычно используются для экструзионной 3D-печати, технически известной как моделирование методом наплавления. В этой технике расплавленный пластик выдавливается из сопла, которое печатает детали слой за слоем. Когда напечатанные слои остывают, они сливаются друг с другом, создавая окончательную трехмерную деталь.
Однако исследования показывают, что эти слои соединяются неидеально; печатные детали более слабые, чем идентичные детали, изготовленные методом литья под давлением, когда расплавленный пластик просто принимает форму заданной формы при охлаждении.
Чтобы соединить эти интерфейсы более тщательно, требуется дополнительный нагрев, но нагрев печатных деталей с использованием чего-то вроде печи имеет серьезный недостаток.
«Если вы поместите что-то в духовку, она нагреет все, поэтому деталь, напечатанная на 3D-принтере, может деформироваться и расплавиться, потеряв свою форму», – сказал Грин. «Что нам действительно нужно, так это способ нагрева только интерфейсов между напечатанными слоями, а не всей части."
Чтобы способствовать межслойному соединению, команда обратилась к углеродным нанотрубкам. Поскольку эти углеродные частицы нагреваются в ответ на электрические токи, исследователи покрыли поверхность каждого напечатанного слоя этими наноматериалами.
Подобно тепловому эффекту микроволн на пищу, команда обнаружила, что эти покрытия из углеродных нанотрубок можно нагревать с помощью электрического тока, позволяя напечатанным слоям соединяться друг с другом.
Чтобы подать электричество во время печати объекта, токи должны преодолеть крошечное пространство воздуха между печатающей головкой и трехмерной деталью.
Один из вариантов преодоления этого воздушного зазора – использование металлических электродов, которые непосредственно касаются печатной детали, но Грин сказал, что этот контакт может привести к непреднамеренному повреждению детали.
Команда сотрудничала с Дэвидом Стэак, доцентом в J. Майк Уокер ’66, кафедра машиностроения, для генерации пучка заряженных частиц воздуха или плазмы, которые могут переносить электрический заряд на поверхность печатной детали. Этот метод позволял электрическим токам проходить через печатную часть, нагревать нанотрубки и сваривать слои вместе.
Используя плазменную технологию и термопластический материал с покрытием из углеродных нанотрубок, исследователи Texas A&M и Essentium добавили оба этих компонента в обычные 3D-принтеры. Когда исследователи проверили прочность деталей, напечатанных на 3D-принтере, используя свою новую технологию, они обнаружили, что их прочность сопоставима с деталями, изготовленными методом литья под давлением.
«Священным Граалем 3D-печати было добиться того, чтобы прочность 3D-печатной детали соответствовала прочности формованной детали», – сказал Грин. «В этом исследовании мы успешно использовали локализованный нагрев для усиления деталей, напечатанных на 3D-принтере, так что их механические свойства теперь не уступают свойствам формованных деталей. Благодаря нашей технологии пользователи теперь могут напечатать индивидуальную деталь, например, индивидуальный протез, и эта термообработанная деталь будет намного прочнее, чем раньше."