Самовосстанавливающиеся полимеры повышают прочность 3D-печатных деталей

Учёные из Рочестерского технологического института (RIT) исследуют способы сделать материалы, напечатанные на 3D-принтере, более прочными, разрабатывая полимеры, которые способны восстанавливаться после повреждений.

Исследование под руководством Кристофера Льюиса сосредоточено на создании фотополимеров, реагирующих на раздражители и способных к самовосстановлению при повреждении, что повышает устойчивость 3D-печатных изделий. Эти материалы изначально представляют собой жидкие смолы, похожие по консистенции на суперклей, и в процессе литографии выборочно затвердевают слой за слоем во время печати. После затвердевания они демонстрируют свойства самовосстановления, которые могут продлить срок службы напечатанных деталей.

Как отметил профессор Колледжа инженерных технологий RIT Льюис, цель команды - создать синтетические материалы, воспроизводящие восстановительные возможности биологических систем. Хотя живые ткани могут регенерироваться после травмы, «это не относится к синтетическим материалам или искусственным объектам», - сказал Льюис. «Наша работа с самовосстанавливающимися материалами - это взгляд на то, как мы можем разрабатывать системы, имитирующие свойства этих природных материалов».

          

Одной из постоянных проблем аддитивного производства является хрупкость материалов, особенно для компонентов, используемых в несущих конструкциях. Со временем могут образовываться трещины, приводящие к разрушению. Чтобы решить эту проблему, группа Льюиса объединила смолу, затвердевающую под ультрафиолетом, с термопластичной добавкой, чтобы создать более прочную смесь, способную укреплять повреждённые участки. Материал также демонстрирует эффект памяти формы, то есть он может возвращаться к своей первоначальной форме после деформации.

Проект, поддерживаемый Министерством обороны США (DoD) и реализуемый в партнёрстве с Центром AMPrint Института современного искусства и техники (RIT), сейчас сосредоточен на точной настройке химического состава смолы для балансировки светочувствительности и вязкости. Оба качества важны для достижения стабильной и надёжной работы печати.

Способность к самовосстановлению возникает благодаря процессу, известному как полимеризационно-индуцированное фазовое разделение (PIPS). Под воздействием света жидкая смола начинает затвердевать, а термореактивные и термопластичные компоненты постепенно разделяются. Это создаёт динамическую внутреннюю структуру, которая смещается и стабилизируется во время затвердевания, напоминая плавное движение лавовой лампы.

        

Льюис пояснил, что это фазовое разделение является ключевым для того, как материал восстанавливается. Предыдущие исследования термопластичных смесей показали, что подобная структурная динамика позволяет полимерам закрывать трещины и восстанавливать целостность. Эти данные направляют текущие эксперименты команды с фотореактивными системами.

Исследователи считают, что самовосстанавливающиеся полимеры могут привести к созданию деталей, напечатанных на 3D-принтере, которые будут более надёжными для использования в робототехнике, электронике и биомедицинских устройствах. Благодаря повышению устойчивости и снижению потребности в обслуживании эта технология может помочь уменьшить производственные затраты и расширить возможности аддитивного производства.

Самовосстанавливающиеся свойства также востребованы в 3D-печати, а возможность интегрировать подобные функции в печатные материалы потенциально может открыть совершенно новые области для аддитивного производства.