3D печать чернилами.
27.09.2016
Мы продолжаем публикации об истории происхождения аддитивных технологий, их видах и возможностях. Сегодня мы с вами поговорим о таком направлении в 3D-печати как робокастинг или экструзия паст (англ. Direct Ink Writing, DIW). Это аддитивная технология, осуществляющая послойную 3D-печать объекта путём экструзии «чернил» через формующее отверстие головки 3D-принтера. Технология была впервые применена в США в 1996 году для изготовления геометрически сложных керамических предметов. 3D-объекты, изготавливаемые при помощи САПР, в робокастинге делятся на слои таким же образом, как и в других технологиях 3D-печати. Жидкость (обычно керамический шлам), по аналогии с технологиями обычной печати именуемая «чернила», поступает через сопло небольшого диаметра, которое перемещается в соответствии с цифровой моделью САПР. «Чернила» выходит из сопла в жидком состоянии, но сразу же принимает нужную форму благодаря псевдопластичности. Поясним: псевдопластичность — это свойство, при котором вязкость жидкости уменьшается при увеличении напряжений сдвига. Это свойство проявляет себя в некоторых сложных веществах, таких как лава, кетчуп, кровь, краски и лак для ногтей. Это также общее свойство для полимерных веществ. Псевдопластичность может быть продемонстрирована на примере такого вещества как кетчуп. Если пластиковую бутылку с кетчупом сжать, то у содержимого бутылки изменяется вязкость, и вещество, бывшее до того густым как мёд, начинает вытекать почти как вода. Это свойство позволяет кетчупу, с одной стороны, легко вытекать из тары, а с другой стороны, сохранять свою форму на тарелке, и придаётся ему специально при помощи химической технологии. Этим робокастинг отличается от моделирования методом наплавления, поскольку для него не требуется затвердевания или сушки «чернил», они сразу принимают нужную форму.
Использование технологии робокастинга начинается с создания файла формата STL с расчётом размеров диаметра формующего отверстия. Первую часть изделия, изготавливаемого путём робокастинга, получают путём экструзии нитей «чернил» в первый слой. Далее рабочая площадь смещается вниз либо формующее отверстие поднимается вверх и следующий слой наносится в требуемом месте. Это повторяется до тех пор, пока изделие не будет завершено. При использовании механизмов с числовым программным управлением, как правило, перемещения формующего отверстия регулируются прикладным программным обеспечением, разработанным CAM. Шаговые двигатели и серводвигатели обычно используются для перемещения формующего отверстия с точностью до нанометров. После изготовления изделия методом робокастинга обычно применяется сушка и другие способы для придания изделию требуемых механических свойств. В зависимости от состава «чернил», скорости печати и условий окружающей среды, робокастинг как правило, позволяет изготавливать конструкции значительной длины (во много раз превышающей диаметр формующего отверстия) и при этом не поддерживаемые снизу. Это позволяет достаточно легко изготавливать 3D-конструкции достаточно сложной формы, что невозможно при использовании других аддитивных технологий, что является чрезвычайно перспективным для производства фотонных кристаллов, костных трансплантатов, фильтров и т. д. Робокастинг позволяет осуществлять печать изделий любой формы и в любом положении. Робокастинг позволяет изготавливать неплотные керамические изделия, которые нуждаются в обжиге перед дальнейшим использованием (по аналогии с керамическим горшком из мокрой глины), изделия самых разнообразных геометрических форм и размеров, вплоть до микромасштабных «строительных лесов». На сегодняшний день робокастинг наиболее востребован в производстве биологически совместимых материалов для искусственных органов: путём 3D-сканирования можно определить точную форму требуемой ткани или органа, разработать её цифровую 3D-модель и распечатать, например, из фосфата кальция или гидроксиапатита. Другие потенциальные области применения робокастинга включают производство объектов со сложной структурой поверхности как например, многослойные катализаторы или электролитические топливные элементы. Робокастинг также может использоваться для нанесения полимерных и гелевых чернил при диаметрах формующих отверстий <2 мкм, что невозможно в случае керамических чернил.
Исследования по созданию новых полимеров ведутся по всему миру. Например, компания Graphene 3D Lab разработала композитный нанофиламент на базе графена для стандартных 3D-принтеров, печатающих методом послойного наплавления. Однако проблема этого материала в том, что он, будучи смешанным с термопластиком, теряет два важнейших качества графена – прочность и легкость, сохраняя лишь проводимость. Немного с другой стороны к проблеме подошел Корейский электротехнологический исследовательский институт, сосредоточившийся на использовании оксида графена (химически модифицированного графена). Его помещают в микропипетку, а затем, добавляя гидразин, вызывают испарение, в результате которого из пипетки выходит чистый графен. Но не только корейские разработки сосредоточены вокруг оксида графена. Так, исследовательская команда из Имперского колледжа Лондона во главе с Эстер Гарсиа-Туньон разработала смесь, состоящую из оксида графена и полимера, который при активации "химического переключателя" меняет свою структуру и параметры. "Текучесть и физические качества нашего материала соответствуют требованиям к процессу наложения филамента в 3D-печати. Нужно, чтобы он просачивался через узкие сопла, сохранял свою форму и был способен формировать слои, опирающиеся друг на друга. Таким образом, этот двухмерный материал используется в качестве строительных блоков для создания макроскопических 3D-структур." - поясняют учёные. Этот материал можно экструдировать даже из 100-микронного сопла, что позволяет печатать очень сложные объекты. Цель исследования – 3D-печать структур из чистого графена, без участия каких-либо других материалов. И этого удалось добиться благодаря оксидо-графеновому составу. Он выходит из сопла и формирует объект, а после завершения 3D-печати этот объект подвергается термической обработке, после которой затвердевший состав превращается в чистый графен. Теперь перед командой стоит задача масштабировать этот процесс и разработать новые виды состава, которые могут пригодиться, например, в гибкой электронике.
Ученые из Ливерморской национальной лабОротории им. Э. Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory) разработали метод придания формы аэрогелю из графена. Они создали куб из аэрогеля на основе графена. Кубик почти ничего не весит и его можно сильно сжать, что неудивительно, так как он состоит преимущественно из воздуха. Небольшое количество материала придает ему высокую жесткость и хорошую электропроводимость. Куб состоит преимущественно из аэрогеля на основе графена. Аэрогель является крайне пористым твердым телом. Понятие немного вводит в заблуждение, потому что указывает на жидкость. В аэрогеле ее заменили на газ. Метод является подвидом робокастинга. Единственным отличием от традиционной технологии является использование не расплавленного провода из полимера, а чернил. В данном случае они не жидкие , а имеют скорее гелеобразную структуру. Чернила состоят из водяной суспензии оксида графена, которая содержит диоксид крмения в качестве наполнителя. Чернила высоковязкие настолько, что их можно выдавливать через сопла-интрудеры, чтобы сформировать объект. В завершение диоксид кремния вытравливается с помощью плавиковой кислоты. Напечатанный аэрогель из графена обладает большой поверхностью и очень хорошей электропроводимостью. Как пишут ученые в журнале "Nature Communication", он очень легкий, стабильный и его можно сжать на 90% объема. 3D-печать позволяет создать из аэрогеля сложные структуры, обладающие свойствами, которые до сих пор было сложно добиться. Аэрогель из графена может применяться при производстве аккумуляторов, его можно интегрировать в датчики и электронные детали.