Nová metoda 3D tisku umožňuje komplexní návrhy a snižuje odpad

Sluchadla, chrániče úst, zubní implantáty a další vysoce individuálně přizpůsobené struktury jsou často produkty 3D tisku. Tyto struktury se obvykle vyrábějí pomocí vanové fotopolymerace – formy 3D tisku, která využívá světelné vzory k tvarování a zpevňování pryskyřice, vrstva po vrstvě.

Proces zahrnuje také tisk nosných konstrukcí ze stejného materiálu, aby se produkt udržel na místě během tisku. Jakmile je produkt plně vytvořen, podpěry se ručně odstraní a obvykle se vyhodí jako nepoužitelný odpad.

Inženýři MIT našli způsob, jak tento poslední krok dokončování obejít, způsobem, který by mohl výrazně urychlit proces 3D tisku. Vyvinuli pryskyřici, která se mění na dva různé druhy pevných látek v závislosti na typu světla, které na ni dopadá: ultrafialové světlo vytvrdí pryskyřici na vysoce odolnou pevnou látku, zatímco viditelné světlo změní stejnou pryskyřici na pevnou látku, která se snadno rozpouští v určitých rozpouštědlech.

Tým vystavil novou pryskyřici současně vzorům UV světla k vytvoření robustní struktury a vzorům viditelného světla k vytvoření podpůrných konstrukcí. Místo pečlivého odlamování podpěr jednoduše ponořili tištěný materiál do roztoku, který podpěry rozpustil a odhalil robustní, UV tištěnou část.

Podpěry se mohou rozpouštět v různých roztocích bezpečných pro potraviny, včetně dětského oleje. Je zajímavé, že se podpěry mohou rozpouštět i v hlavní tekuté složce původní pryskyřice, podobně jako kostka ledu ve vodě. To znamená, že materiál použitý k tisku podpůrných konstrukcí lze kontinuálně recyklovat: Jakmile se podpůrný materiál tištěné struktury rozpustí, lze tuto směs přímo vmíchat do čerstvé pryskyřice a použít k tisku další sady dílů – spolu s jejich rozpustnými podpěrami.

Vědci použili novou metodu k tisku komplexních struktur, včetně funkčních ozubených kol a složitých mříží.

„Nyní můžete vytisknout – v jediném tisku – vícedílné, funkční sestavy s pohyblivými nebo propletenými částmi a podpěry můžete v podstatě smýt,“ říká absolvent Nicholas Diaco. „Místo toho, abychom tento materiál vyhazovali, můžeme ho recyklovat na místě a generovat mnohem méně odpadu. To je konečná naděje.“

On a jeho kolegové uvádějí podrobnosti o nové metodě v článku publikovaném v Advanced Materials Technologies. Spoluautory studie MIT jsou Carl Thrasher, Max Hughes, Kevin Zhou, Michael Durso, Saechow Yap, profesor Robert Macfarlane a profesor A. John Hart, vedoucí Katedry strojírenství MIT.

Odstranění odpadu

Konvenční vanová fotopolymerace (VP) začíná 3D počítačovým modelem struktury, která se má tisknout – například dvou propletených ozubených kol. Spolu s ozubenými koly samotnými model zahrnuje malé podpůrné struktury kolem, pod a mezi ozubenými koly, aby se každá funkce udržela na místě během tisku. Tento počítačový model se poté rozřeže na mnoho digitálních vrstev, které se odešlou do VP tiskárny k tisku.

Standardní VP tiskárna zahrnuje malou vanu s tekutou pryskyřicí, která sedí nad světelným zdrojem. Každý řez modelu se převede na odpovídající světelný vzor, ​​který se promítne na tekutou pryskyřici, která ztuhne do stejného vzoru. Vrstva po vrstvě se na stavitelném podstavci vytvoří pevná, světlem tištěná verze ozubených kol a podpěr modelu. Po dokončení tisku zvedne podstavec hotový díl nad vanu s pryskyřicí. Jakmile se odstraní přebytečná pryskyřice, osoba může ručně odstranit střední podpěry, obvykle ořezáním a pilováním, a podpůrný materiál se nakonec vyhodí.

„Většinou tyto podpěry vytvářejí hodně odpadu,“ říká Diaco.

Tisk a ponoření

Diaco a tým hledali způsob, jak zjednodušit a urychlit odstraňování tištěných podpěr a v ideálním případě je v procesu recyklovat. Vymysleli obecný koncept pro pryskyřici, která v závislosti na typu světla, kterému je vystavena, může nabýt jedné ze dvou fází: odolné fáze, která by vytvořila požadovanou 3D strukturu, a sekundární fáze, která by fungovala jako podpůrný materiál, ale také by se snadno rozpustila.

Poté, co si tým promyslel chemii, zjistil, že může vyrobit takovou dvoufázovou pryskyřici smícháním dvou komerčně dostupných monomerů, chemických stavebních bloků, které se nacházejí v mnoha typech plastů. Když na směs dopadne ultrafialové světlo, monomery se spojí do pevně propojené sítě a vytvoří pevnou látku odolnou proti rozpouštění. Když je stejná směs vystavena viditelnému světlu, stejné monomery se stále vytvrdí, ale na molekulární úrovni zůstávají výsledné monomerní řetězce oddělené od sebe. Tato pevná látka se může rychle rozpustit, když se umístí do určitých roztoků.

V laboratorních testech s malými lahvičkami nové pryskyřice výzkumníci zjistili, že se materiál skutečně přeměnil na obě nerozpustné a rozpustné formy v reakci na ultrafialové a viditelné světlo. Když však přešli na 3D tiskárnu s LED diodami slabšími než laboratorní zařízení, UV vytvrzený materiál se v roztoku rozpadl. Slabší světlo pouze částečně spojilo monomerní řetězce, takže zůstaly příliš volně propletené na to, aby udržely strukturu pohromadě.

Diaco a jeho kolegové zjistili, že přidání malého množství třetího „propojujícího“ monomeru může spojit dva původní monomery pod UV světlem a splést je do mnohem pevnějšího rámce. Tato oprava umožnila výzkumníkům současně tisknout odolné 3D struktury a rozpustné podpěry pomocí časově řízených pulsů UV a viditelného světla v jednom průběhu.

Tým použil novou metodu k tisku různých složitých struktur, včetně propletených ozubených kol, složitých mříží, koule v čtvercovém rámu a pro zábavu malého dinosaura uzavřeného ve vejcovitém pouzdru, které se rozpustilo po ponoření do roztoku.

„U všech těchto struktur je během tisku potřeba mřížka podpěr uvnitř i vně,“ říká Diaco. „Odstranění těchto podpěr obvykle vyžaduje pečlivé ruční odstraňování. To ukazuje, že můžeme tisknout vícedílné sestavy s mnoha pohyblivými částmi a podrobné, personalizované výrobky, jako jsou sluchadla a zubní implantáty, způsobem, který je rychlý a udržitelný.“

„Budeme pokračovat ve studiu limitů tohoto procesu a chceme vyvinout další pryskyřice s tímto chováním selektivním podle vlnové délky a mechanickými vlastnostmi nezbytnými pro odolné produkty,“ říká profesor strojírenství John Hart. „Spolu s automatizovanou manipulací s díly a uzavřeným cyklem opětovného použití rozpuštěné pryskyřice je to vzrušující cesta k efektivní a nákladově efektivní polymerové 3D tisku ve velkém měřítku.“

Tento výzkum byl částečně podpořen Centrem pro percepční a interaktivní inteligenci (InnoHK) v Hongkongu, Národním vědeckým fondem USA, Úřadem námořního výzkumu USA a Výzkumným úřadem armády USA.