Przełomowa metoda hodowania materiałów w hydrożelu
Szwajcarscy badacze opracowali technikę polegającą na hodowaniu metali i ceramiki wewnątrz specjalnego hydrożelu. Proces zaczyna się od wydrukowania struktury nośnej przy użyciu standardowej drukarki 3D i żelu na bazie wody. Dopiero później do tego szkieletu wprowadza się jony metali lub związki ceramiczne. Kluczowa różnica w porównaniu z tradycyjnym drukiem 3D polega na tym, iż materiał finalny nie jest bezpośrednio nakładany warstwa po warstwie. Zamiast tego, struktura „dorasta” wewnątrz żelowego rusztowania, który pełni funkcję precyzyjnej matrycy. Po zakończeniu procesu wzrostu żel zostaje usunięty, pozostawiając gotowy, niezwykle wytrzymały komponent.
Czytaj też: Celowo psują grafen. Efekt? Nowy supermateriał
W konwencjonalnym druku 3D wybór materiału zawsze poprzedza proces wytwarzania. Szwajcarzy postanowili odwrócić tę kolejność. Jak wyjaśnia Daryl Yee z zespołu badawczego:
Nasza praca nie tylko umożliwia wytwarzanie wysokiej jakości metali i ceramiki za pomocą dostępnego, niskokosztowego procesu druku 3D; podkreśla również nowy paradygmat w produkcji addytywnej, gdzie wybór materiału następuje po druku 3D, a nie przed nim
W praktyce oznacza to, że można wydrukować uniwersalny szablon z hydrożelu, a dopiero później zdecydować, czy ma on stać się elementem ze srebra, miedzi, żelaza czy ceramiki. To trochę jak posiadanie jednej formy do produkcji różnych wyrobów, tylko na znacznie bardziej zaawansowanym poziomie.
Wytrzymałość dwadzieścia razy większa przy minimalnym skurczu
Materiały wytworzone nową metodą wykazują wytrzymałość na ściskanie dwadzieścia razy większą niż te produkowane dotychczasowymi technikami. Równie imponująco prezentuje się parametr skurczu: zaledwie 20% w porównaniu z 60-90% charakterystycznymi dla innych metod. Aby zademonstrować możliwości nowej technologii, zespół wytworzył skomplikowane struktury kratowe z żelaza, srebra i miedzi. Udało się osiągnąć gęstość przekraczającą 80% przy minimalnym odkształceniu – kombinację dotąd uważaną za bardzo trudną do uzyskania.
Materiały o tak wyjątkowych właściwościach mechanicznych i złożonej geometrii otwierają drogę do zastosowań, które wcześniej były nierealne. W medycynie mogłyby posłużyć do tworzenia implantów o niespotykanej dotąd precyzji i wytrzymałości. Branża energetyczna mogłaby wykorzystać je w urządzeniach do konwersji i magazynowania energii, gdzie liczy się zarówno lekkość, jak i odporność na ekstremalne warunki. Zespół z EPFL zdaje sobie sprawę z wyzwań związanych z wdrożeniem.
Czytaj też: Koniec ery błędów w FCS. Estończycy rozwiązali 50-letni problem fluorescencji
Już teraz pracujemy nad skróceniem całkowitego czasu przetwarzania poprzez użycie robota do automatyzacji tych kroków – przyznaje Daryl Yee, badacz z EPFL
Automatyzacja procesu ma kluczowe znaczenie dla jego praktycznego wykorzystania. Ręczne wykonywanie poszczególnych etapów sprawdza się w warunkach laboratoryjnych, lecz przemysł potrzebuje rozwiązań szybszych i zapewniających powtarzalność. Robotyzacja mogłaby nie tylko przyspieszyć produkcję, ale także zwiększyć jej precyzję. Szczegóły badań opublikowano w Advanced Materials, a rzeczona technologia łączy w sobie kilka atrakcyjnych cech: względnie niskie koszty, wysoką wytrzymałość wytwarzanych komponentów i elastyczność w doborze materiałów. Pierwsze kroki w kierunku automatyzacji sugerują, że szwajcarscy naukowcy rozumieją czekające na nich wyzwania i pracują nad ich pokonaniem.