Zespół badaczy z Politechniki Federalnej w Lozannie opracował metodę, która znacząco poprawia właściwości mechaniczne drukowanych metalowych elementów. Ich podejście pozwala tworzyć struktury nawet 20 razy mocniejsze niż te wytwarzane konwencjonalnymi technikami addytywnymi. Co szczególnie istotne, udaje się przy tym zredukować jeden z największych problemów tej technologii – nadmierne kurczenie się materiału podczas produkcji.
Nowa metoda druku 3D pozwala metalom “rosnąć”
Podstawą nowej metody jest fotopolimeryzacja w kadzi, precyzyjna technika wykorzystująca światło do formowania struktur z żywicy światłoczułej. Szwajcarzy połączyli ją z innowacyjnym procesem stopniowego “hodowania” metalu wewnątrz wydrukowanych wcześniej form. Najpierw tworzona jest trójwymiarowa siatka z hydrożelu, która następnie jest wielokrotnie nasączana roztworami soli metali. W trakcie tego procesu nanocząsteczki metalu rozprzestrzeniają się równomiernie w całej konstrukcji. Cykl ten powtarza się od 5-10 razy, za każdym razem zwiększając zawartość metalu w strukturze.
Czytaj też: Poznajcie beton przyszłości. Druk 3D wychwytujący dwutlenek węgla rewolucjonizuje budownictwo
Końcowym etapem jest usunięcie hydrożelu poprzez obróbkę termiczną, co pozostawia gęstą i niezwykle wytrzymałą strukturę metalową. Jak wynika z badań opublikowanych w Advanced Materials, metoda pozwala osiągnąć obciążenie metalem sięgające 79 proc. wagowo dla srebra i ok. 68 proc. dla miedzi.
Rzeczywiste korzyści widać najlepiej w testach mechanicznych. Struktury żelaza wytworzone nową techniką wytrzymują nacisk około 5 MPa, podczas gdy poprrednie metody pozwalały osiągnąć zaledwie 0,2 MPa – to imponujący, 25-krotny wzrost wytrzymałości. Równie ważna jest redukcja skurczu materiału. Nowe struktury kurczą się tylko o 20 proc., podczas gdy tradycyjne metody powodowały skurcz od 60 proc. do 90 proc. W przypadku żelaza skurcz liniowy wynosi 38 proc., co stanowi znaczącą poprawę w porównaniu z 66 proc. wcześniej osiąganymi.
Badacze przetestowali z powodzeniem technologię z różnymi materiałami, w tym tlenkiem żelaza, heksaferrytem strontu, żelazem, miedzią i srebrem. Gęstość gotowych struktur przekracza 80 proc., osiągając konkretnie 91 proc. dla żelaza, 88 proc. dla miedzi i 76 proc. dla srebra.
Prawdopodobnie najbardziej rewolucyjnym aspektem tej metody jest zmiana podejścia do wyboru materiału. W tradycyjnej produkcji addytywnej decyzja o rodzaju metalu musi zapaść przed rozpoczęciem druku. Tutaj możliwy jest wybór materiału już po wydrukowaniu podstawowej struktury z hydrożelu. Oznacza to, że ten sam szablon może posłużyć do produkcji elementów z różnych metali – wystarczy zmienić rodzaj soli używanej w procesie infuzji. Takie podejście znacząco zwiększa elastyczność produkcji i może przyczynić się do obniżenia kosztów.
Z ekonomicznego punktu widzenia technologia wydaje się bardziej dostępna niż niektóre konkurencyjne rozwiązania, jak selektywne spiekanie laserowe. Wymaga jedynie standardowych systemów fotopolimeryzacji w kadzi, soli metali i pieca rurowego. Niestety, nie wszystko wygląda tak optymistycznie. Główną przeszkodą w komercjalizacji metody jest czas produkcji. Wielokrotne etapy infuzji sprawiają, że proces jest znacznie bardziej czasochłonny niż tradycyjne techniki druku 3D metali.
Zespół z EPFL pracuje już nad rozwiązaniem tego problemu poprzez automatyzację procesu z wykorzystaniem robotów. Taka modernizacja mogłaby drastycznie skrócić czas produkcji i uczynić metodę konkurencyjną przemysłowo. Jeśli im się uda, potencjalne zastosowania obejmują zaawansowane architektury 3D wymagające jednoczesnej lekkości, wytrzymałości i złożoności geometrycznej. Szczególnie obiecujące są sensory, urządzenia biomedyczne oraz systemy konwersji i magazynowania energii, gdzie precyzja i wytrzymałość mają kluczowe znaczenie.
Technologia umożliwia również tworzenie bardzo cienkich ścianek – nawet poniżej 100 mikrometrów, a dla srebra ok. 30 mikrometrów, co jest trudne do osiągnięcia innymi metodami. Choć wyniki badań napawają ostrożnym optymizmem, prawdziwy test dopiero przed nami. Sukces komercyjny będzie zależał od skutecznej automatyzacji procesu i skrócenia czasu produkcji do poziomów akceptowalnych przez przemysł.