Исследователи в области машиностроения из Мичиганского технологического университета создали способ изготовления нанокомпозитных полимерных чернил для 3D-печати, в которых используются углеродные нанотрубки (УНТ), известные своей высокой прочностью на разрыв и легкостью. Эти революционные чернила могут заменить эпоксидные смолы, и понимание того, почему их свойства настолько фантастичны, является первым шагом к их массовому использованию.

3D-печать, также известная как аддитивное производство, более универсальна и эффективна, чем литье. Он добавляет материал с высокой точностью, часто со сложной геометрией, со значительно меньшими излишками, которые нужно отрезать. Добавление низкоразмерных наноматериалов, таких как УНТ, графен, металлические наночастицы и квантовые точки, позволяет печатным материалам на 3D-принтере адаптироваться к внешним воздействиям, придавая им такие свойства, как электрическая и тепловая проводимость, магнетизм и электрохимическое накопление.

Но 3D-печать с использованием пластика, металла или чего-то еще не новость. По-другому поступили исследователи в области технологий, так это использование полимерных нанокомпозитов (состоящих из эпоксидной смолы, углеродных нанотрубок и наноглины) и процесса печати, который не жертвует функциональностью. Сочетание типа материала и морфологии – размера, формы, структуры – в полимерных нанокомпозитных красках является конечной функцией соответствия формы.

Изучение процесса, морфологии и свойств полимерных чернил является предметом статьи, недавно опубликованной в журнале Additive Manufacturing Парисой Пур Шахид Саид Абади, инженером, изучающим взаимодействие материалов, механики и медицины, и аспирантом. Масуд Касрайе.

Абади и Касрей отмечают, что, прежде чем исследователи смогут участвовать в гонках с использованием полимерных чернил, они должны сначала научиться ходить. Первый шаг – это копаться в пересечении макромасштаба (как наши глаза видят работу материала) и наномасштаба (то, что мы не видим, но знаем, происходит).

Построение понимания, прежде чем делить рынок

В то время как полимерные нанокомпозиты и продукты и услуги для 3D-печати имеют рыночную стоимость в миллиарды долларов, 3D-печать с наноматериалами имеет рыночную стоимость только около 43 миллионов долларов, отметил Абади.

«Для национального процветания и сохранения глобального лидерства в производстве, разрыв между реальным применением 3D-печати и наноматериалов по сравнению с 3D-печатью наноматериалов должен быть сокращен, », – сказал Абади. «Пробел существует из-за недостаточного контроля свойств нанокомпозита в процессе 3D-печати, потому что мы не полностью понимаем взаимосвязь между процессом, морфологией и свойствами».

Узким местом является понимание сложного взаимодействия между макромасштабной механикой процессов 3D-печати и наномасштабной механикой и физикой нанокомпозитов. Исследование Абади и Касрай направлено на то, чтобы ослабить узкое место, исследуя взаимосвязь между параметрами процесса 3D-печати и морфологией наноматериалов в нанокомпозитных печатных красках, что является наиболее важной, но наименее изученной частью головоломки.

Множество преимуществ чернил из наноматериалов

Этот материал, выходящий за рамки науки о нанокомпозитных чернилах, является многообещающим благодаря своим многочисленным функциям. Одним из преимуществ 3D-печати является почти полный контроль над формой конечного продукта.

Электропроводность наноматериалов Abadi и Kasraie – исключительно удобная черта, которая дает печатной эпоксидной смоле возможность использоваться в качестве электрической проводки – будь то в печатной плате, в крыле самолета или в напечатанных на 3D-принтере исполнительных механизмах для направления катетеров в кровеносных сосудах. . Еще одна полезная черта нанокомпозитных полимерных чернил – это их прочность.

«По сравнению со сталью и алюминием, мы видим снижение веса на 80% при использовании эпоксидного композита такой же прочности», – сказал Касрай.

Наконец, в области медицины, аэрокосмической и электронной промышленности, где дефекты и повреждения могут вызвать большие проблемы, нанокомпозиты выполняют функцию безопасности.

«Когда что-то ломается, крошечная трещина начинается от микромасштабного дефекта и прогрессирует, пока не разрушает всю структуру», – сказал Абади. «Нанокомпозитные элементы образуют перемычки в этих трещинах и не позволяют трещинам расти. Это один из механизмов, посредством которого углеродные нанотрубки увеличивают механическую прочность материала».

Соотношение свойств и веса, электропроводность, повышенная прочность и простота применения – вот лишь некоторые из многих многообещающих причин, по которым полимерные нанокомпозитные краски, вероятно, заменят традиционные эпоксидные смолы.

Источник: https://www.mtu.edu/[19459007visible