Forskare vid City University of Hong Kong (CityU) har hittat ut ett sätt att göra 3D-printade polymergitterdelar 100 gånger starkare än tidigare.
Jämfört med traditionella värmebehandlingar som stärker tryckta föremål av plast på bekostnad av deformerbarhet, förkolnar CityU:s tillvägagångssätt dem helt enkelt delvis för att göra dem starkare och dubbelt så formbara. Med hjälp av deras process, säger teamet, är det möjligt att uppnå komplex 3D-utskrift med mekaniska egenskaper som är skräddarsydda för specifika applikationer, såsom kranskärlsstentar eller bioimplantat.
"Det är fantastiskt att vi har hittat ett sätt att omvandla ömtåliga och ömtåliga 3D-utskrivna fotopolymerer till ultratuffa 3D-strukturer som konkurrerar med metaller och legeringar helt enkelt genom att värma dem under rätt förhållanden," sa CityU-professor Lu Yang. "Vårt arbete ger en billig, enkel och skalbar väg för att tillverka lätta, starka och formbara mekaniska metamaterial med praktiskt taget vilken geometri som helst."
Jagar den "heliga gralen" av material
Enligt CityU-forskare anses utvecklingen av en polymer som är lätt men ändå ultrahöghållfast och duktil på samma gång vara den "heliga gralen" för materialforskning och -utveckling, men dessa egenskaper är ofta "ömsesidigt uteslutande".
Detta beror på att pyrolys, en process som vanligtvis används för att omvandla plastdelar till förstärkt kol genom upphettning i en inert atmosfär, tar bort nästan all deformerbarhet hos den ursprungliga polymeren. Medan teamet erkänner att det finns andra plastförstärkningsmetoder, säger de att dessa också resulterar i "inneboende sprödhet och låg seghet" som "begränsar de strukturella tillämpningarna [av den sista delen]".
I synnerhet begränsar dessa brister tillverkningen av delar från "metamaterial", som är utformade för att ha egenskaper som inte finns i naturliga råvaror. Vissa iterationer av dessa kan användas för att skapa mikrogitter som kombinerar lätta strukturella konstruktioner med kvaliteterna hos materialen de är gjorda av, men forskarna säger att deras 3D-utskriftskapacitet fortfarande är begränsad.
"Starka och tuffa arkitektoniska komponenter kräver ofta metaller eller legeringar för 3D-utskrift, men de är inte lätt tillgängliga på grund av den höga kostnaden och låga upplösningen hos kommersiella metall 3D-skrivare och råmaterial," tillade Yang. "Polymerer är mer lättillgängliga, men saknar ofta mekanisk styrka eller seghet."
Utveckla polymerer som är 100 gånger segare
I processen att studera 3D-tryckta polymergitter sa CityU-teamet att de hade kommit på ett sätt att värma dem till ett "magiskt" tillstånd av partiell karbonisering. Genom att noggrant kontrollera uppvärmningshastigheten, temperaturen, varaktigheten och gasmiljön för pyrolysprocessen fann forskarna att styvheten, styrkan och duktiliteten hos mikrogittren kunde ökas i ett enda steg.
Forskarna gjorde denna upptäckt genom en serie karakteriseringstekniker som avslöjade att långsam uppvärmning gör att materialets polymerkedjor genomgår en ofullständig omvandling under den pyrolytiska omvandlingen. Detta skapar ett hybridmaterial i vilket strukturellt förstärkta kolfragment och löst tvärbundna polymerkedjor som förhindrar kompositen från att spricka samexisterar synergistiskt.
Genom ytterligare forskning och utveckling upptäckte forskarna att förhållandet mellan polymer och kolfragment också är avgörande för att producera delar optimerade för styrka och duktilitet. Genom att testa sin teori skapade teamet flera testutskrifter där de kunde iterativt utveckla ett karboniserat gitter som var 100 gånger starkare och dubbelt så formbart som tidigare.
Som en extra bonus uppvisade forskarnas "hybridkol" mikrogitter också bättre biokompatibilitet än deras baspolymerer och visade sig till och med stödja cellulär bioaktivitet bättre. Med detta i åtanke tror teamet att deras process kan användas för att utöka funktionaliteten hos en mängd andra polymerer och låsa upp nya 3D-utskriftsmaterial för medicinska, robot- och energienheter.
Exempel på kranskärlsstentar 3D-utskrivna från förkolnade material