В работе Гавайского университета в Маноа рассматриваются проблемы печати пастообразными материалами.

По данным Гавайского университета в Маноа, исследователь в области машиностроения стал соавтором подробного обзора проблем, связанных с печатью пастообразными материалами, и способов повышения надёжности производства за счёт понимания физических процессов, лежащих в основе этой технологии. В статье, опубликованной в журнале Annual Review of Fluid Mechanics, собраны результаты многолетних исследований, которые позволяют составить план действий для печати чего угодно — от искусственных тканей до зданий.

«В настоящее время 3D-печать в значительной степени опирается на опыт и эмпирические правила, а также на небольшие изменения в рецептах и настройках, пока всё не заработает, — говорит Тайлер Р. Рэй, доцент инженерного колледжа Гавайского университета в Маноа. — Мы хотим предоставить инженерам инструменты, которые дополнят их опыт прогнозами, основанными на законах физики».

Печать прямыми чернилами

Исследуемый метод печати, называемый печатью прямыми чернилами (DIW), похож на украшение торта. «Глазурь» должна плавно вытекать из сопла, а затем мгновенно застывать, не плавясь и не разрушаясь. Этот метод подходит для печати самыми разными «чернилами», которые могут быть живыми клетками, бетоном, керамикой или полимерными смесями, что открывает возможности для создания объектов и форм, недоступных при обычной 3D-печати пластиком.

«Пастообразные материалы, которые используются при прямой струйной печати, представляют собой сложные жидкости — удивительные материалы, которые в зависимости от окружающей среды ведут себя как жидкости или как твёрдые тела, — говорит Альбан Соре, доцент Мэрилендского университета и ведущий автор исследования. — Такие материалы изучаются уже несколько десятилетий, но прямая струйная печать ставит новые сложные задачи, требующие более глубокого понимания того, как ведут себя эти сложные жидкости во время печати».

Изображение предоставлено: Кендалл Лоренцо, исследовательская группа Ray, Университет Ханаана.

Изображение предоставлено: Кендалл Лоренцо, исследовательская группа Ray, Университет Ханаана.

Ключевые моменты

В обзоре выделены три ключевых момента, от которых зависит успех или неудача. Во-первых, материал должен проходить через сопло, не забивая его, что является серьёзной проблемой, если чернила содержат частицы или волокна для повышения прочности.

«Мы все сталкивались с проблемой засорения ручки или бутылки с кетчупом, — говорит Бретт Дж. Комптон, доцент Университета Теннесси. — Если создание точных 3D-форм с использованием сложной жидкости кажется вам недостаточно сложной задачей, представьте, что жидкость наполнена керамическими частицами, клетками или волокнами и должна проходить через крошечное сопло, не засоряясь и не повреждая клетки».

Во-вторых, когда материал выходит из сопла, он может распадаться на части, сворачиваться в спираль или деформироваться, что портит отпечаток. Наконец, после нанесения материал должен быть достаточно твёрдым, чтобы сохранять форму, но при этом достаточно жидким, чтобы соединяться с предыдущими слоями. Чтобы успешно напечатать объект, необходимо найти баланс между этими тремя параметрами. Тот факт, что технология DIW предъявляет высокие требования к чернилам и что их состав может быть самым разным, означает, что многие вопросы остаются без ответа, особенно в отношении материалов с частицами, которые позволяют получать более прочные и функциональные отпечатки.

«Мы всё ещё находимся в процессе открытий, когда каждый ответ порождает новые вопросы и новые области для изучения. Именно это и свело нас троих вместе», — сказал Рэй.

В обзоре также рассказывается о многообещающих инновациях, таких как материалы, которые затвердевают по команде при воздействии света или тепла, а также о продуманных насадках, которые уменьшают засорение.

«Дело в том, что существуют превосходные исследования в области цифровой гидродинамики, но они разбросаны по областям, которые обычно не пересекаются, — например, медицина, химия и гражданское строительство, — говорит Соре. — С помощью этого обзора мы надеемся представить целостную и фундаментальную концепцию гидромеханики, которая выявляет универсальные проблемы и вдохновляет на новые междисциплинарные исследования, чтобы сделать технологию более надёжной и доступной, независимо от сферы её применения».

Исследование проводилось при поддержке Национального научного фонда, Управления научных исследований ВВС, Национального института здравоохранения и компании Honeywell Federal Manufacturing & Technologies, LLC.

Источник