Inżynierowie z prestiżowego Massachusetts Institute of Technology (MIT) niedawno zaprezentowali rewolucyjną metodę w dziedzinie druku trójwymiarowego, która obiecuje transformację sposobu wytwarzania złożonych przedmiotów, jednocześnie znacznie redukując ilość odpadów. Ta innowacja opiera się na opracowaniu specjalnej żywicy, która zmienia swoje właściwości w zależności od rodzaju światła, na które jest wystawiona, otwierając nowe możliwości szybszej i bardziej przyjaznej dla środowiska produkcji.

Nowa era fotopolimeryzacji w druku 3D

Fotopolimeryzacja w kadzi (vat photopolymerization - VP) stanowi jedną z podstawowych technologii wytwarzania addytywnego, lepiej znanego jako druk 3D. Proces ten wykorzystuje światło, najczęściej ultrafioletowe (UV), do selektywnego utwardzania ciekłej żywicy fotopolimerowej, warstwa po warstwie, budując w ten sposób pożądany obiekt trójwymiarowy. Technologia ta jest ceniona za zdolność do wytwarzania obiektów o wysokiej rozdzielczości z drobnymi detalami i gładkimi powierzchniami, co czyni ją idealną do produktów takich jak spersonalizowane aparaty słuchowe, precyzyjne implanty dentystyczne, ochraniacze na zęby oraz różne inne komponenty wymagające indywidualnego dostosowania i złożonych geometrii.

Klasyczny proces VP napotyka jednak na nieodłączne wyzwanie: potrzebę stosowania struktur podporowych. Struktury te są drukowane wraz z głównym produktem, przy użyciu tego samego materiału, aby zapewnić stabilność zwisających części i zapobiec deformacjom podczas wytwarzania. Po zakończeniu druku podpory te muszą być ręcznie usuwane, co jest często żmudnym i czasochłonnym procesem. Ponadto usunięte podpory najczęściej kończą jako odpady, ponieważ ich ponowne wykorzystanie jest rzadko możliwe, co przyczynia się do śladu ekologicznego produkcji.

Rewolucyjna żywica o podwójnych właściwościach

Zespół ekspertów z MIT, z siedzibą w Cambridge w stanie Massachusetts, zaproponował eleganckie rozwiązanie tego problemu. Opracowali innowacyjną żywicę, która może tworzyć dwa różne rodzaje materiałów stałych w zależności od długości fali światła na nią działającego. Pod wpływem światła UV żywica utwardza się w niezwykle twardy i odporny materiał, idealny do produktu końcowego. Z drugiej strony, gdy ta sama żywica jest wystawiona na działanie światła widzialnego, również przechodzi w stan stały, ale tworzy materiał łatwo rozpuszczalny w niektórych rozpuszczalnikach.

Ta dwoistość umożliwia jednoczesne drukowanie litego obiektu i jego podpór w jednym zintegrowanym procesie. Wykorzystując precyzyjnie ukierunkowane wzory światła UV do tworzenia samego produktu i wzory światła widzialnego do formowania struktur podporowych, inżynierowie wyeliminowali potrzebę mechanicznego usuwania podpór. Po zakończeniu drukowania cały zespół jest po prostu zanurzany w odpowiednim rozpuszczalniku. Podpory szybko się rozpuszczają, pozostawiając jedynie pożądaną, litą część wykonaną światłem UV.

Co ciekawe, jako rozpuszczalniki można stosować różne bezpieczne w użyciu ciecze, w tym nawet oliwkę dla dzieci. Co ważniejsze, podpory mogą również rozpuszczać się w głównym ciekłym składniku oryginalnej żywicy, podobnie jak kostka lodu topi się в wodzie. To odkrycie otwiera drzwi do ciągłego recyklingu materiału używanego do podpór. Po rozpuszczeniu materiału podporowego mieszanina ta może być bezpośrednio zawracana do świeżej żywicy i ponownie wykorzystywana do drukowania kolejnych części i ich rozpuszczalnych podpór, drastycznie redukując odpady i koszty materiałów.

Demonstracja zaawansowanych możliwości

Aby zademonstrować skuteczność swojej metody, naukowcy z powodzeniem zastosowali nową technikę do tworzenia szeregu złożonych struktur. Wśród nich znalazły się funkcjonalne zespoły kół zębatych, skomplikowane konstrukcje kratownicowe oraz inne obiekty, które tradycyjnymi metodami wymagałyby starannego i długotrwałego usuwania podpór. Jednym z przykładów był model dinozaura wewnątrz struktury podporowej w kształcie jaja, która elegancko rozpuściła się, odsłaniając doskonale zachowaną figurkę.

„Teraz można, w jednym procesie drukowania, tworzyć wieloczęściowe, funkcjonalne zespoły z ruchomymi lub połączonymi częściami, a podpory po prostu spłukać” – wyjaśnia Nicholas Diaco, doktorant i jeden z głównych badaczy projektu. „Zamiast wyrzucać ten materiał, można go poddać recyklingowi na miejscu i wygenerować znacznie mniej odpadów. To nasza ostateczna nadzieja.”

Szczegóły tej innowacyjnej metody opublikowano w czasopiśmie naukowym Advanced Materials Technologies pod koniec 2023 roku. Oprócz Diaco, współautorami badania z MIT są Carl Thrasher, Max Hughes, Kevin Zhou, Michael Durso, Saechow Yap, profesor Robert Macfarlane oraz profesor A. John Hart, kierownik Wydziału Inżynierii Mechanicznej na MIT.

Pokonywanie wyzwań konwencjonalnej fotopolimeryzacji

Konwencjonalna fotopolimeryzacja w kadzi (VP) rozpoczyna się od komputerowego modelu 3D struktury, która ma być wydrukowana. Oprócz samego obiektu, model zawiera szczegółowe struktury podporowe umieszczone wokół, pod i między częściami obiektu, aby zapewnić stabilność podczas drukowania. Model komputerowy jest następnie „krojony” na setki lub tysiące cienkich warstw cyfrowych, które są wysyłane do drukarki VP.

Standardowa drukarka VP składa się z małej kadzi z ciekłą żywicą, nad którą znajduje się źródło światła. Każda warstwa modelu jest tłumaczona na odpowiedni wzór świetlny, który jest rzutowany na żywicę, powodując jej utwardzenie zgodnie z tym wzorem. Warstwa po warstwie, stała, wydrukowana światłem wersja modelu i jego podpór formuje się na platformie roboczej. Po zakończeniu drukowania platforma podnosi gotową część nad kąpiel z żywicą. Po spłukaniu nadmiaru nieutwardzonej żywicy następuje faza ręcznego usuwania podpór, najczęściej przy użyciu narzędzi do cięcia i szlifowania. Ten materiał podporowy, jak wcześniej wspomniano, prawie zawsze kończy jako odpad.

„W większości przypadków te podpory generują dużą ilość odpadów” – podkreśla Diaco, wskazując na jeden z kluczowych problemów, które rozwiązuje nowa metoda.

Chemia stojąca za innowacją: Drukowanie i rozpuszczanie

Diaco i jego zespół szukali sposobu na uproszczenie i przyspieszenie usuwania wydrukowanych podpór, z idealnym celem ich recyklingu. Opracowali ogólną koncepcję żywicy, która w zależności od rodzaju światła, na które była wystawiona, mogłaby przybierać jedną z dwóch faz: odporną fazę, która tworzyłaby pożądaną strukturę 3D, oraz fazę wtórną, która służyłaby jako materiał podporowy, ale byłaby łatwo rozpuszczalna.

Po szczegółowych badaniach chemicznych zespół odkrył, że taką dwufazową żywicę można stworzyć mieszając dwa dostępne komercyjnie monomery, chemiczne bloki budulcowe obecne w wielu rodzajach tworzyw sztucznych. Kiedy światło ultrafioletowe oświetla mieszaninę, monomery łączą się w silnie usieciowaną strukturę, tworząc wytrzymały, odporny na rozpuszczalniki materiał. Kiedy ta sama mieszanina jest wystawiona na działanie światła widzialnego, te same monomery również utwardzają się, ale na poziomie molekularnym powstałe łańcuchy polimerowe pozostają od siebie oddzielone. Tak uformowany materiał stały szybko rozpuszcza się po zanurzeniu w niektórych rozpuszczalnikach.

Podczas testów laboratoryjnych z małymi probówkami nowej żywicy naukowcy potwierdzili, że materiał rzeczywiście przekształcał się w formy nierozpuszczalne i rozpuszczalne w odpowiedzi na światło UV i widzialne. Jednak przy przejściu na drukarkę 3D z diodami LED o niższej intensywności niż stosowane w warunkach laboratoryjnych, materiał utwardzony światłem UV rozpadał się w roztworze. Słabsze światło tylko częściowo łączyło monomery, pozostawiając je zbyt słabo splecione, aby zachować integralność strukturalną.

Rozwiązanie znaleziono w dodaniu niewielkiej ilości trzeciego, „mostkującego” monomeru. Dodatek ten umożliwił silniejsze wiązanie dwóch oryginalnych monomerów pod wpływem światła UV, tworząc znacznie mocniejszą sieć. Ta modyfikacja pozwoliła naukowcom na jednoczesne drukowanie odpornych struktur 3D i rozpuszczalnych podpór przy użyciu zsynchronizowanych czasowo impulsów światła UV i widzialnego w jednym cyklu drukowania.

Szerokie spektrum zastosowań i przyszłe kierunki

Nowa metoda otwiera drzwi do produkcji niezwykle złożonych części, w tym wspomnianych wcześniej kół zębatych, kratownic, a nawet kulki wewnątrz kwadratowej ramy, gdzie wewnętrzne podpory są kluczowe, ale ich usunięcie stanowi duże wyzwanie. „Przy wszystkich tych strukturach potrzebna jest sieć podpór wewnątrz i na zewnątrz podczas drukowania” – mówi Diaco. „Usuwanie tych podpór normalnie wymaga starannej, ręcznej pracy. To pokazuje, że możemy drukować wieloczęściowe zespoły z wieloma ruchomymi częściami oraz szczegółowe, spersonalizowane produkty, takie jak aparaty słuchowe i implanty dentystyczne, w szybki i zrównoważony sposób.”

Profesor inżynierii mechanicznej John Hart, jeden z kierowników badań, dodaje: „Będziemy nadal badać granice tego procesu i chcemy opracować dodatkowe żywice o takim selektywnym zachowaniu wobec długości fali i właściwościach mechanicznych potrzebnych do trwałych produktów. Wraz z automatyczną obsługą części i recyklingiem rozpuszczonej żywicy w obiegu zamkniętym, jest to ekscytująca droga w kierunku zasobooszczędnego i opłacalnego druku 3D polimerów na dużą skalę.”

Potencjalne zastosowania tej technologii są ogromne. W medycynie, oprócz już wspomnianych aparatów słuchowych i implantów dentystycznych, otwierają się możliwości tworzenia modeli anatomicznych do planowania chirurgicznego z niewiarygodną precyzją, a także produkcji aparatów ortodontycznych. W przemyśle szybkie prototypowanie złożonych części, funkcjonalnych zespołów do maszyn, a nawet komponentów dla robotyki i przemysłu lotniczego mogłoby przejść rewolucję. Zdolność do tworzenia skomplikowanych wewnętrznych kanałów i pustek bez ryzyka uszkodzenia podczas usuwania podpór jest szczególnie cenna.

Badania te, które przesuwają granice wytwarzania addytywnego, są wspierane między innymi przez Centre for Perceptual and Interactive Intelligence (InnoHK) w Hongkongu, amerykańską National Science Foundation (NSF), Office of Naval Research USA (Office of Naval Research) oraz U.S. Army Research Office. Tak szerokie wsparcie wskazuje na uznane znaczenie i potencjał tej technologii, nie tylko dla społeczności naukowej, ale także dla zastosowań przemysłowych i technologii obronnych. Innowacja z Cambridge wyznacza zatem nowe standardy w zakresie zrównoważonego rozwoju i wydajności druku 3D.

Dalszy rozwój prawdopodobnie skoncentruje się na poszerzeniu gamy materiałów wykazujących takie selektywne zachowanie wobec różnych długości fal światła, a także na optymalizacji właściwości mechanicznych, termicznych i chemicznych tak uzyskanych materiałów, aby spełniały specyficzne wymagania różnych branż. Integracja z zaawansowanymi rozwiązaniami programowymi do automatycznego generowania struktur podporowych zoptymalizowanych pod kątem rozpuszczania oraz rozwój systemów do automatycznej obsługi części i recyklingu żywicy w całkowicie zamkniętym obiegu to kluczowe kroki w kierunku szerokiego zastosowania przemysłowego tej obiecującej technologii druku 3D.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology