محققان دانشگاه سیتی هنگ کنگ (CityU) راهی برای ساخت قطعات شبکه پلیمری چاپ سه بعدی 100 برابر قوی تر از قبل پیدا کرده اند.
در مقایسه با عملیات حرارتی سنتی که اجسام چاپ شده پلاستیکی را به قیمت تغییر شکلپذیری تقویت میکنند، رویکرد CityU به سادگی آنها را تا حدی کربن میکند تا قویتر و دو برابر انعطافپذیرتر شوند. تیم میگوید با استفاده از فرآیند آنها، میتوان به پرینت سه بعدی پیچیده با خواص مکانیکی متناسب با کاربردهای خاص، مانند استنتهای کرونر یا بیواپلنتها دست یافت.
لو یانگ پروفسور CityU می گوید: «این شگفت انگیز است که ما راهی برای تبدیل فتوپلیمرهای پرینت سه بعدی شکننده و شکننده به ساختارهای سه بعدی فوق العاده سخت پیدا کرده ایم که با حرارت دادن آنها در شرایط مناسب با فلزات و آلیاژها رقابت می کنند. کار ما یک مسیر کمهزینه، ساده و مقیاسپذیر برای ساخت متامومادهای مکانیکی سبک، قوی و شکلپذیر با تقریباً هر هندسهای فراهم میکند.»
تعقیب "جام مقدس" مواد
به گفته دانشمندان CityU، توسعه پلیمری که سبک وزن و در عین حال فوق العاده استحکام و انعطاف پذیر باشد، " جام مقدس" تحقیق و توسعه مواد در نظر گرفته می شود، اما این ویژگی ها اغلب "متقابل" هستند.
این به این دلیل است که پیرولیز، فرآیندی که معمولاً برای تبدیل قطعات پلاستیکی به کربن تقویتشده با حرارت دادن در یک اتمسفر بیاثر استفاده میشود، تقریباً تمام تغییر شکلپذیری پلیمر اصلی را از بین میبرد. در حالی که تیم تأیید می کند که روش های دیگر تقویت پلاستیک وجود دارد، آنها می گویند که این روش ها همچنین منجر به "شکنندگی ذاتی و چقرمگی کم" می شود که "کاربردهای ساختاری [بخش نهایی] را محدود می کند."
به ویژه، این کاستی ها ساخت قطعاتی از "فرامواد" را محدود می کند، که به گونه ای طراحی شده اند که دارای خواصی باشند که در مواد خام طبیعی یافت نمی شوند. از تکرارهای خاصی می توان برای ایجاد شبکه های ریز استفاده کرد که طرح های ساختاری سبک وزن را با کیفیت موادی که از آن ساخته شده اند ترکیب می کند، اما محققان می گویند که قابلیت چاپ سه بعدی آنها هنوز محدود است.
یانگ افزود: اجزای معماری قوی و سخت اغلب به فلزات یا آلیاژهایی برای پرینت سه بعدی نیاز دارند، اما به دلیل هزینه بالا و وضوح پایین چاپگرهای سه بعدی فلزی تجاری و مواد خام، به راحتی در دسترس نیستند. پلیمرها به راحتی در دسترس هستند، اما اغلب فاقد استحکام مکانیکی یا چقرمگی هستند.
پلیمرهایی را تولید کنید که 100 برابر سخت تر هستند
در فرآیند مطالعه شبکههای پلیمری چاپشده سه بعدی، تیم CityU گفتند راهی برای گرم کردن آنها به حالت «شبیه جادویی» کربنسازی جزئی پیدا کردهاند. با کنترل دقیق نرخ گرمایش، دما، مدت زمان و محیط گازی فرآیند پیرولیز، دانشمندان دریافتند که سختی، استحکام و شکلپذیری ریزشبکهها را میتوان در یک مرحله افزایش داد.
محققان این کشف را از طریق یک سری تکنیک های مشخصه انجام دادند که نشان داد گرمایش آهسته باعث می شود زنجیره های پلیمری ماده در طول تبدیل پیرولیتیک دچار تغییر شکل ناقص شوند. این یک ماده هیبریدی ایجاد می کند که در آن قطعات کربن تقویت شده ساختاری و زنجیره های پلیمری با پیوند متقابل شل که از ترک خوردن کامپوزیت جلوگیری می کند به صورت هم افزایی وجود دارند.
از طریق تحقیق و توسعه بیشتر، محققان کشف کردند که نسبت پلیمر به قطعات کربن نیز برای تولید قطعات بهینهسازی شده برای استحکام و شکلپذیری حیاتی است. این تیم با آزمایش نظریه خود، چندین چاپ آزمایشی ایجاد کردند که در آنها توانستند به طور مکرر یک شبکه کربنی ایجاد کنند که 100 برابر قوی تر و دو برابر انعطاف پذیرتر از قبل بود.
به عنوان یک امتیاز اضافی، شبکههای ریز «کربن هیبریدی» محققان نیز زیستسازگاری بهتری نسبت به پلیمرهای پایه خود نشان دادند و حتی نشان داده شد که زیست فعالی سلولی را بهتر پشتیبانی میکنند. با در نظر گرفتن این موضوع، تیم بر این باور است که فرآیند آنها می تواند برای گسترش عملکرد انواع پلیمرهای دیگر و باز کردن قفل مواد چاپ سه بعدی جدید برای دستگاه های پزشکی، روباتیک و انرژی مورد استفاده قرار گیرد.
نمونه هایی از استنت های کرونری چاپ سه بعدی از مواد کربنیزه شده