Materiały 3D drukowane za pomocą cieczy
Nowa metoda druku 3D wykorzystująca kapilarny przepływ cieczy poszerzy wykorzystanie technologii drukowania.
Technologie druku 3D stale ewoluują, otwierając nowe możliwości dla inżynierii materiałowej. Ostatnie osiągnięcia zespołu badawczego z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) pokazują, w jaki sposób zastosowanie zjawiska kapilarnego może całkowicie zmienić sposób projektowania i produkcji struktur wielomateriałowych. Nowa metoda pozwala na precyzyjne wypełnianie wydrukowanych szkieletów płynnymi materiałami, które następnie twardnieją, tworząc struktury o unikalnych właściwościach mechanicznych.
Dotychczasowe metody druku 3D z za pomocą wielu materiałów wymagały skomplikowanych projektów i specjalistycznego sprzętu. Nowa technika wykorzystuje komórki płynowe (cellular fluidics), które pozwalają na kontrolowane przepływanie cieczy w wydrukowanych strukturach dzięki zjawisku kapilarnego działania. Dzięki temu można łączyć materiały o różnych właściwościach, co jest ważne dla projektowania komponentów o wysokiej wytrzymałości mechanicznej, zoptymalizowanej masie czy zdolności do odkształceń.
Technika opisana na łamach Advanced Materials Technologies, daje inżynierom szerokie możliwości projektowania i optymalizacji struktur, które mogą znaleźć zastosowanie w lotnictwie, biomedycynie czy technologii czujników.
Kluczową innowacją jest wykorzystanie jednostek strukturalnych, które selektywnie przyciągają płyny do określonych obszarów. W praktyce oznacza to możliwość drukowania „otwartych form 3D”, w których płynne materiały są wypełniane tylko tam, gdzie są potrzebne. Taka metoda umożliwia uzyskanie unikalnych właściwości mechanicznych bez konieczności stosowania w pełni drukowanych materiałów.
Nik Dudukovic, jeden z autorów badania, podkreśla, że technika pozwala na precyzyjne sterowanie ruchem cieczy w porowatych strukturach. Jest to porównywalne do tego, jak woda wnika w papierowy ręcznik dzięki sile napięcia powierzchniowego.
Dzięki tej technologii możliwe staje się wytwarzanie materiałów o niespotykanej dotąd kombinacji właściwości. Przykładowo, poprzez odpowiednie rozmieszczenie jednostek kapilarnych można tworzyć materiały o zdolnościach do samonaprawy.
Podobne rozwiązania miały już miejsce w dziedzinie inżynierii materiałowej. Na przykład badania prowadzone na MIT nad strukturami inspirowanymi kośćmi pokazują, że zastosowanie porowatych struktur może znacznie poprawić stosunek wytrzymałości do masy. Z kolei eksperymenty przeprowadzone przez NASA nad drukiem 3D w warunkach mikrograwitacji otwierają nowe możliwości dla projektowania materiałów na potrzeby misji kosmicznych.
Dzięki metodzie zaproponowanej przez LLNL możliwe będzie nie tylko drukowanie lekkich i wytrzymałych konstrukcji, ale także tworzenie skomplikowanych wielomateriałowych systemów do zastosowań medycznych i przemysłowych. Przykładowo, precyzyjnie wzorowane komórki kapilarne mogą znaleźć zastosowanie w technologii czujników, reaktorach biologicznych, a nawet w systemach do wychwytywania dwutlenku węgla.
Jak podkreśla Hawi Gemeda, współautorka badania, celem zespołu jest dalsza eksploracja tej technologii w kontekście nowych materiałów, takich jak ceramika, metale czy kompozyty biomedyczne.
„Mam nadzieję, że nasze odkrycia zainspirują społeczność zajmującą się drukiem addytywnym do dalszego poszerzania możliwości projektowania wielomateriałowych i wieloskalowych struktur” – podsumowuje Gemeda.
Metoda wykorzystania kapilarnego przepływu w druku 3D otwiera nowe możliwości w projektowaniu wielomateriałowych struktur. Technologia nie tylko poszerza granice inżynierii materiałowej, ale także inspiruje do poszukiwania nowych, innowacyjnych sposobów projektowania przyszłości.
Szymon Ślubowski
