Новая смола MIT изменяет долговечность, упрощая постобработку

Исследователи MIT разработали метод 3D-печати, использующий светочувствительную смолу, способную формировать как прочные структуры, так и растворимые опоры – в зависимости от типа света, которому она подвергается. Ультрафиолетовый (УФ) свет твердеет к прочным, постоянным формам, тогда как видимый свет создает более слабые сопротивления, которые можно растворять в определенных растворителях. Новый метод исключает ручную постобработку, такую как резка или подпиливание, ускоряя производство и минимизируя отходы.

"Теперь вы можете печатать – одной печатью – многокомпонентные, функциональные узлы с подвижными или соединительными деталями, и вы можете фактически смыть опоры", - сказал Николас Диако, аспирант MIT, участвующий в проекте. «Вместо того чтобы выбрасывать этот материал, вы можете перерабатывать его на месте и генерировать гораздо меньше отходов».

Опубликованная в Advanced Materials Technologies работа является результатом сотрудничества между Диако и исследователями Карлом Трашером, Максом Хьюзом, Кевином Чжоу, Майклом Дурсо, Сечоу Япом, профессорами Робертом Макфарлейном и А. Джоном Хартом. Проект поддержал Центром перцептивного и интерактивного интеллекта (InnoHK) в Гонконге, Национальным научным фондом США, Управлением военно-морских исследований США и Управлением исследований армии США.

Традиционная фотополимеризация в чанах (VPP) начинается с 3D-цифровой модели, включающей как объект, так и небольшие опорные структуры. Эта модель разрезается на тонкие слои и посылается на 3D-принтер VPP, где слой за слоем строится. После печати платформа поднимает деталь из ванны со смолой, излишки смолы смываются, а временные опоры вручную удаляются и выбрасываются. «В основном эти носители в конце концов генерируют много отходов», — говорит Диако.

Чтобы решить эту проблему, команда MIT разработала смолу двойного отверждения, состоящую из двух мономеров, четко реагирующих на свет. Воздействие ультрафиолетового света индуцирует образование прочных, постоянных структур, тогда как видимый свет запускает создание более слабых, растворимых носителей, разработанных для разложения в различных безопасных для пищевых продуктов жидкостях, включая детское масло. Примечательно, что эти носители могут также растворяться в основном жидком компоненте исходной смолы, что способствует непрерывной переработке материала.

Сначала этот подход столкнулся с проблемой: на 3D-принтерах, использующих светодиоды меньшей интенсивности, чем лабораторная установка, смола, затвердевшая под действием ультрафиолета, не выдерживала раствора. Слабый свет частично связывал цепи мономеров, оставляя структуру слишком слабо связанной, чтобы оставаться целой. Исследователи преодолели это ограничение, введя третий «местный» мономер, помогший связать два исходных мономера под действием ультрафиолетового света, создавая гораздо более прочный каркас. Это усовершенствование позволило им печатать прочные 3D-структуры и растворные опоры одновременно, чередуя ультрафиолетовый и видимый свет во время одного процесса печати. Команда использовала этот метод для успешной печати ряда дизайнов, включая соединяющиеся шестерни, решетчатые каркасы и миниатюрного динозавра, заключенного в растворную яйцевидную скорлупу.

         
       
         «Для всех этих структур нужна решетка из опор внутри и снаружи при печати», — говорит Диако. «Удаление этих опор обычно требует тщательного ручного удаления. Это показывает, что мы можем печатать многокомпонентные сборки с большим количеством подвижных частей и подробные, персонализированные продукты, такие как слуховые аппараты и зубные имплантаты, быстрым и экологичным способом».

Профессор Джон Харт подчеркнул, что эта техника открывает новые возможности для более экологичного масштабирования полимерной 3D-печати. «Мы продолжим изучать границы этого процесса и хотим разработать дополнительные смолы с таким селективным по длине волны поведением и механическими свойствами, необходимыми для долговечных изделий», – сказал Харт. «Наряду с автоматизированной обработкой деталей и повторным использованием растворенной смолы в замкнутом цикле это увлекательный путь к ресурсоэффективной и экономически эффективной 3D-печати полимеров в больших масштабах».