Vísindamenn við City University of Hong Kong (CityU) hafa fundið út leið til að gera þrívíddarprentaða fjölliða grindarhluta 100 sinnum sterkari en áður.
Í samanburði við hefðbundna hitameðhöndlun sem styrkir prentaða hluti úr plasti á kostnað aflögunarhæfni, kolefni CityU þá einfaldlega að hluta til að gera þá sterkari og tvöfalt sveigjanlegri. Með því að nota ferli þeirra, segir teymið, er mögulegt að ná fram flókinni þrívíddarprentun með vélrænni eiginleikum sem eru sérsniðnar að sérstökum forritum, svo sem kransæðastrónum eða lífígræðslu.
„Það er ótrúlegt að við höfum fundið leið til að breyta viðkvæmum og viðkvæmum 3D prentuðum ljósfjölliðum í ofursterk 3D mannvirki sem keppa við málma og málmblöndur einfaldlega með því að hita þær við réttar aðstæður,“ sagði CityU prófessor Lu Yang. "Vinnan okkar veitir ódýra, einfalda og stigstærða leið til að búa til létt, sterk og sveigjanleg vélræn efni með nánast hvaða rúmfræði sem er."
Að elta „heilagan gral“ efna
Samkvæmt CityU vísindamönnum er þróun fjölliða sem er létt, en samt mjög sterk og sveigjanleg á sama tíma talin „heilagur gral“ efnisrannsókna og þróunar, en þessir eiginleikar eru oft „útilokaðir“.
Þetta er vegna þess að pyrolysis, ferli sem almennt er notað til að breyta plasthlutum í styrkt kolefni með upphitun í óvirku andrúmslofti, rífur nánast alla aflögunarhæfni upprunalegu fjölliðunnar. Þó að teymið viðurkenni að aðrar plaststyrkingaraðferðir séu til, segja þeir að þær hafi einnig í för með sér „meðalgengan stökkleika og litla seigju“ sem „takmarki burðarvirki [loka hluta]“.
Einkum takmarka þessir annmarkar framleiðslu á hlutum úr „metaefni“ sem eru hönnuð til að hafa eiginleika sem ekki finnast í náttúrulegum hráefnum. Hægt er að nota ákveðnar endurtekningar af þessum til að búa til örgrindur sem sameina léttar byggingarhönnun við eiginleika efnanna sem þær eru gerðar úr, en vísindamennirnir segja að þrívíddarprentunargeta þeirra sé enn takmörkuð.
„Sterkir og sterkir byggingarhlutar þurfa oft málma eða málmblöndur fyrir þrívíddarprentun, en þeir eru ekki aðgengilegir vegna mikils kostnaðar og lítillar upplausnar á þrívíddarprentara og hráefni úr málm í atvinnuskyni,“ bætti Yang við. "Fjöldur eru aðgengilegri, en skortir oft vélrænan styrk eða seigleika."
Þróaðu fjölliður sem eru 100 sinnum harðari
Í því ferli að rannsaka þrívíddarprentaðar fjölliðagrindur, sagði CityU teymið að þeir hefðu fundið upp leið til að hita þær upp í "töfralíkt" ástand kolefnis að hluta. Með því að stjórna upphitunarhraða, hitastigi, tímalengd og gasumhverfi pyrolysisferlisins vandlega, komust vísindamennirnir að því að stífleiki, styrkur og sveigjanleiki örgrindanna gæti aukist í einu skrefi.
Rannsakendur gerðu þessa uppgötvun með röð af persónugreiningaraðferðum sem leiddi í ljós að hægur hitun veldur því að fjölliðakeðjur efnisins gangast undir ófullkomna umbreytingu meðan á hitabreytingunni stendur. Þetta skapar blendingsefni þar sem byggingarstyrkt kolefnisbrot og lauslega krosstengdar fjölliðakeðjur sem koma í veg fyrir að samsetningin sprungi eru samverkandi.
Með frekari rannsóknum og þróun komust vísindamennirnir að því að hlutfall fjölliða og kolefnisbrota er einnig mikilvægt til að framleiða hluta sem eru fínstilltir fyrir styrk og sveigjanleika. Með því að prófa kenninguna sína bjó teymið til nokkrar prufuprentanir þar sem þeir gátu ítrekað þróað kolsýrða grind sem var 100 sinnum sterkari og tvöfalt sveigjanlegri en áður.
Sem aukabónus sýndu „blendingur kolefni“ örgrindur vísindamannanna einnig betri lífsamrýmanleika en grunnfjölliður þeirra og var jafnvel sýnt fram á að styðja betur við frumulífvirkni. Með þetta í huga telur teymið að hægt sé að nota ferlið þeirra til að auka virkni margs konar annarra fjölliða og opna nýtt 3D prentunarefni fyrir lækninga-, vélfæra- og orkutæki.
Dæmi um kransæðastoðnet 3D prentuð úr kolsýrðu efni