Пластиковый материал изменяет свойства за счет 3D-печати

В последние годы многие университетские исследовательские проекты разрабатывают многофункциональные материалы с помощью аддитивного производства. В области медицины, например, важно создавать ткани, способные регенерировать органы или костные структуры и разрабатывать передовые биомедицинские устройства. В то же время, другие сектора создают новые материалы для 3D-печати, предлагая широкий спектр имеющихся продуктов.

Чтобы продемонстрировать это, Элис Фергерсон и команда инженеров из Принстонского университета под руководством Эмилия Дэвидсона разработали пластиковый материал, способный использовать разные уровни гибкости. Материал, состоящий из класса полимеров, известных как TPE, позволяет проектировать и изготавливать гибкие 3D-печатные структуры, жесткость которых можно регулировать. Благодаря 3D-печати инженеры позволяют контролировать физические свойства этого материала, позволяя тканям многократно растягиваться и изгибаться в одном направлении, сохраняя жесткость в другом.

Термопластичный эластомер, выбранный командой инженеров Принстонского университета, является блок-сополимером, который можно формировать в расплавленном состоянии. Когда он охлаждается, он жесткий, образуя эластичную структуру. Это явление объясняется поведением внутренних компонентов сополимера, состоящего из гомополимеров, которые разделяются как масло и вода, а не смешиваются. Исследователи использовали эту характеристику, чтобы создать материал, состоящий из жестких цилиндров, рассеянных в эластичной матрице, что позволяет материалу оставаться гибким, сохраняя его внутренние свойства.

Жесткие цилиндрические структуры этого пластмассового материала имеют толщину от 5 до 7 нанометров и интегрированы в эластичную полимерную матрицу. Для контекста человеческий волос имеет диаметр около 90 000 нанометров, а спираль ДНК - около 1 нанометра. Исследователи также изучали, как быстрота печати и контролируемая экструзия материала могут модулировать физические свойства печатного материала. Благодаря 3D печати цилиндры можно ориентировать на нанометровом уровне, создавая материал, обеспечивающий локальную жесткость, сохраняя мягкие, эластичные зоны.

Наиболее интересным аспектом этого процесса является термический отжиг пластика и его свойства для самовосстановления. Фергерсон объяснил, что термический отжиг значительно улучшает свойства материала после печати. Этот процесс позволяет повторно использовать напечатанные в лаборатории объекты несколько раз и даже восстановить их в производстве. Чтобы подтвердить эти свойства самовосстановления, исследователи вырезали ваш образец печатного материала и отремонтировали его отжигом. По своим наблюдениям отремонтированный материал не показал заметных отличий от оригинала.

Девидсон отмечает, что подобные материалы, которые используют в других контекстах, дорогие и требуют сложной обработки, такой как контролируемая экструзия с последующей обработкой ультрафиолетовым светом. Эти материалы могут стоить около 2,50 долларов за грамм. За счет этого термопластичный эластомер, используемый в этом объекте, стоит всего около одного цента за грамм и может быть напечатан с помощью коммерческих 3D-принтеров. Это делает материал не только экономичным, но и доступным для печати недорогих решений.

Одной из главных целей проекта была разработка мягких материалов с механическими свойствами, которые можно локально регулировать одновременно внедряя экономически эффективный и легко масштабируемый подход для промышленности. Девидсон считает, что этот метод разработки передовых мягких материалов может использоваться в различных сферах, таких как мягкая робототехника, медицинские устройства, протезирование и высокоэффективные индивидуальные подошвы обуви. Следующим шагом для исследовательской группы станет создание новых 3D-печатных архитектур, совместимых с такими приложениями как переносная электроника и биомедицинские устройства.