Исследователи из РИТ разрабатывают самовосстанавливающиеся материалы для дальнейшего совершенствования аддитивного производства, в частности, изделий, напечатанных на 3D-принтере, чтобы сделать их более прочными и устойчивыми.

Кристофер Льюис и члены его исследовательской группы разработали чувствительный к раздражителям фотополимерный раствор — жидкие смолы, по текстуре похожие на суперклей, — который после печати проявляет способность к самовосстановлению при повреждениях, а в процессе литографии эти жидкие смолы выборочно затвердевают слой за слоем.

Сегодня наблюдается большой интерес к материалам, способным к самовосстановлению. Возможность создания более надёжных деталей с такими свойствами самовосстановления в 3D-печати может принести пользу многим отраслям и обеспечить экономию средств. Компании могут с большей уверенностью полагаться на прочность материалов, используемых в высокоточном оборудовании, таком как печатная электроника, мягкая робототехника или протезирование для аэрокосмической, автомобильной и биомедицинской отраслей, считает Льюис, доцент и профессор факультета инженерных технологий Королевского технологического института (RIT), получивший стипендию Рассела К. Маккарти .

«Когда вы ломаете кость или порезаетесь, мы принимаем как должное существование механизма самовосстановления, позволяющего костям или коже восстанавливаться, по крайней мере, в какой-то степени», — сказал Льюис. «Мы также узнаём, что это не относится к синтетическим материалам или предметам, созданным человеком. И наша работа над самовосстанавливающимися материалами — это футуристический взгляд на то, как мы можем разработать системы, имитирующие свойства этих природных материалов».

Со временем напечатанные на 3D-принтере объекты могут трескаться, особенно те, которые используются в несущих конструкциях. Ситуация усугубляется тем, что многие материалы, используемые в 3D-печати, изначально хрупкие. Без вмешательства специалистам конструкция может разрушиться. Команда обнаружила, что сочетание термопластичного агента с ультрафиолетовой смолой позволяет повысить прочность процесса 3D-печати, а также создать смесь, которая укрепляет трещины.

«Это делает материал гораздо прочнее, чем он был раньше. Одна из проблем с этими мягкими эластомерными материалами заключается в их изначальной хрупкости. Кроме того, это порождает ещё одно свойство — эффект памяти формы, и мы только начинаем сосредотачиваться на его более глубоком понимании», — сказал Льюис.

Находясь в авангарде этой работы в течение нескольких лет , Льюис получал финансирование от Министерства обороны США и сотрудничал с учёными Центра AMPrint Королевского технологического института (RIT), чтобы проверить, как самовосстанавливающиеся материалы дополняют процессы 3D-печати. ​​Он и соавторы Винсент Мей и Кори Шиммельпфенниг , докторанты RIT, подробно описали свою работу в нескольких журналах, включая ACS Applied Polymer Materials , Polymer и недавний выпуск журнала 3D Print Industry . В каждом из них подчёркивается, что команда сосредоточена на УФ-полимеризации этой жидкой смолы.

По его словам, основные проблемы заключаются в регулировании вязкости реактивной смолы и обеспечении растворимости и светочувствительности всех материалов.

«Мы выбрали подход, при котором используется смесь двух разных компонентов. У нас есть фотореактивный термореактивный полимер, который после отверждения превращается в мягкую резину. К нему мы также добавляем термопластичный восстанавливающий агент. Мы смогли заставить свет проходить через систему, и добились этого, используя полимеризационно-индуцированное фазовое разделение (PIPS). Это процесс, при котором термореактивный и термопластичный материалы разделяются во время отверждения», — сказал он. «Это ключ ко всему».

PIPS — это единая сегментированная структура, в которой оптически прозрачная жидкость пропускает свет. При отверждении УФ-смолы термопластичная фаза разделяется. Льюис сравнил эту окончательную фазово-разделенную структуру с лавовой лампой, которая меняется при зажигании или нагревании. Аналогично и с полимерами, которые трансформируются при интеграции с 3D-печатью по мере отверждения каждого слоя.

«Ранние исследования термопластичных полимерных смесей, которые можно перерабатывать традиционными методами, такими как литье под давлением или экструзия, предполагали, что именно фазовое разделение, по-видимому, является движущей силой самовосстановления этих систем. Это понимание привело нас к экспериментам с тем же восстанавливающим агентом и фотореактивной полимерной системой, а затем и к небольшой удаче», — сказал Льюис.

Фото: Кристофер Льюис, преподаватель-исследователь Колледжа инженерных технологий РИТ, разработал решение на основе самовосстанавливающихся материалов для улучшения 3D-печати.

Источник