Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Пузырьки газа помогли материалу для 3D-печати расшириться в 40 раз

Wirth et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2020

Американские химики разработали новый расширяющийся материал для 3D-печати. Изделия из такого материала увеличиваются в размерах на 4000 процентов — для этого достаточно нагреть их до 200 градусов Цельсия. Расширение происходит под действием маленьких пузырьков углекислого газа, образующихся из ди-трет-бутилдикарбоната, который добавляют к исходному материалу перед печатью. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

С помощью 3D-печати можно быстро и дешево создавать самые разные объекты с высоким уровнем детализации, выбор материалов для печати тоже весьма широк. Одним из немногих ограничений остается размер полученного изделия — обычно он не может превышать размер используемого принтера. Крупные объекты обычно печатаются по частям, что не только увеличивает время их создания, но и влияет на механические свойства финального изделия.

Американские химики под руководством Джонатана Покорски (Jonathan K. Pokorski) из Калифорнийского Университета в Сан-Диего разработали новый материал для 3D-печати, изделия из которого могут расширяться при нагревании. Ученые экспериментировали с недорогим 3D-принтером Anycubic Photon, который работает по принципу лазерной стереолитографии. Это один из наиболее распространенных способов 3D-печати, в котором новые слои полимера застывают под лазерным излучением. Стереолитография позволяет печатать быстро, однако ограничивает пользователей в выборе материала для печати: он должен содержать компоненты, которые быстро полимеризуются под действием лазера.

Согласно замыслу авторов, расширение материала происходит за счет маленьких пузырьков газа, которые образуются по всему объему готового изделия, когда его нагревают до определенной температуры. Расширяющийся материал должен включать в себя три компонента: основу будущего полимера (преполимер), фотоинициатор, который реагирует на включение лазера и запускает процесс полимеризации во время печати и газообразующий компонент, который в нужный момент превратится в пузырьки газа и обеспечит расширение готового изделия. Чтобы все сработало согласно плану, необходимо выполнить несколько условий. Во-первых, газообразующий компонент должен хорошо растворяться в жидком преполимере — в противном случае в готовом изделии газообразующий компонент будет распределен неравномерно, и при расширении форма изделия может исказиться. Во-вторых, температура распада газообразующего вещества должна лежать в промежутке между температурой стеклования и температурой плавления полученного полимера — иначе при нагревании готового изделия оно не увеличится в объеме, а расплавится. В-третьих, полимер должен содержать в себе небольшое количество кросс-линкеров — специальных связующих групп, которые помогают полимеру залечиваться во время быстрого расширения под действием пузырьков газа. Четвертое условие добавляет использование Anycubic Photon: у этого 3D-принтера не самый мощный лазер (1 мBт/см2), поэтому для основы нужен полимер, для застывания которого достаточно такой мощности. 

В поисках идеальной формулы авторы протестировали два варианта преполимера, три варианта фотоинициатора и шесть вариантов газообразующего компонента, комбинируя их в разных сочетаниях и пропорциях — всего было испытано 73 образца разного состава. В итоге в качестве основы материала выбрали 2-гидроксиэтилметакрилат (HEMA), к нему добавили десять массовых процентов ди-трет-бутилдикарбоната (BOC2O), который при нагревании распадается на изобутилен, трет-бутанол и углекислый газ. Самым эффективным фотоинициатором оказалась смесь двух производных оксида фосфина — BAPO и TPO. Готовые изделия нагревали до 200 градусов Цельсия в течение 10 минут (температура распада BOC2O), и они постепенно увеличивались в объеме. Авторам удалось добиться увеличения объема изделия на 4000 процентов (в 40 раз) — это на два порядка больше, чем результаты предыдущих исследований. При этом форма и пропорции изделий оставались очень близкими к первоначальным.


Чтобы испытать новый материал, из него напечатали часть ветряной турбины, а также игрушечную лодку — последняя может выдерживать вес в 20 раз больше собственного. Авторы предполагают, что изделия из нового материала в дальнейшем будут использоваться в строительстве, авиакосмической промышленности, энергетике и медицине.

Впрочем, увеличивающиеся в объеме материалы — не единственный способ создавать с помощью 3D-печати большие объекты. Например, в прошлом году американская компания AMBOTS разработала мобильных роботов для распределенной 3D-печати больших пластиковых конструкций. Такие роботы могут одновременно печатать одну конструкцию согласно общему плану.

Наталия Самойлова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.