Inženjeri s uglednog Massachusetts Institute of Technology (MIT) nedavno su predstavili revolucionarnu metodu u području trodimenzionalnog tiska koja obećava transformaciju načina na koji se izrađuju složeni predmeti, istovremeno značajno smanjujući količinu otpada. Ova inovacija temelji se na razvoju posebne smole koja mijenja svoja svojstva ovisno o vrsti svjetlosti kojoj je izložena, otvarajući nove mogućnosti za bržu i ekološki prihvatljiviju proizvodnju.

Nova era fotopolimerizacije u 3D tisku

Fotopolimerizacija u spremniku (vat photopolymerization - VP) predstavlja jednu od temeljnih tehnologija aditivne proizvodnje, poznatije kao 3D tisak. Ovaj postupak koristi svjetlost, najčešće ultraljubičastu (UV), kako bi selektivno stvrdnjavao tekuću fotopolimernu smolu, sloj po sloj, gradeći tako željeni trodimenzionalni objekt. Tehnologija je cijenjena zbog svoje sposobnosti izrade predmeta visoke rezolucije s finim detaljima i glatkim površinama, što je čini idealnom za proizvode poput personaliziranih slušnih aparata, preciznih zubnih implantata, štitnika za zube te raznih drugih komponenti koje zahtijevaju individualnu prilagodbu i složene geometrije.

Klasičan VP proces, međutim, suočava se s inherentnim izazovom: potrebom za potpornim strukturama. Ove strukture tiskaju se zajedno s glavnim proizvodom, koristeći isti materijal, kako bi osigurale stabilnost prevjesnih dijelova i spriječile deformacije tijekom izrade. Nakon završetka tiska, te se potpore moraju ručno ukloniti, što je često mukotrpan i vremenski zahtjevan proces. Osim toga, uklonjene potpore najčešće završavaju kao otpad, jer je njihova ponovna uporaba rijetko moguća, što doprinosi ekološkom otisku proizvodnje.

Revolucionarna smola s dvojakim svojstvima

Tim stručnjaka s MIT-a, smještenog u Cambridgeu, Massachusetts, ponudio je elegantno rješenje ovog problema. Razvili su inovativnu smolu koja može formirati dvije različite vrste čvrstih materijala ovisno o valnoj duljini svjetlosti koja na nju djeluje. Izlaganjem UV svjetlu, smola se stvrdnjava u izuzetno čvrst i otporan materijal, idealan za konačni proizvod. S druge strane, kada se ista smola izloži vidljivoj svjetlosti, ona također prelazi u čvrsto stanje, ali formira materijal koji je lako topljiv u određenim otapalima.

Ova dualnost omogućuje istovremeno tiskanje čvrstog objekta i njegovih potpora u jednom integriranom procesu. Koristeći precizno usmjerene uzorke UV svjetla za izradu samog proizvoda i uzorke vidljive svjetlosti za formiranje potpornih struktura, inženjeri su eliminirali potrebu za mehaničkim uklanjanjem potpora. Nakon što je tiskanje završeno, cijeli se sklop jednostavno uranja u odgovarajuće otapalo. Potpore se brzo otapaju, ostavljajući za sobom samo željeni, čvrsti dio izrađen UV svjetlom.

Zanimljivo je da se kao otapala mogu koristiti različite tekućine sigurne za upotrebu, uključujući čak i dječje ulje. Još značajnije, potpore se mogu otopiti i u glavnoj tekućoj komponenti originalne smole, slično kao što se kocka leda topi u vodi. Ovo otkriće otvara vrata kontinuiranom recikliranju materijala korištenog za potpore. Nakon što se potporni materijal otopi, ta se mješavina može izravno vratiti u svježu smolu i ponovno koristiti za tiskanje sljedećih dijelova i njihovih topljivih potpora, drastično smanjujući otpad i troškove materijala.

Demonstracija naprednih mogućnosti

Kako bi demonstrirali učinkovitost svoje metode, istraživači su uspješno primijenili novu tehniku za izradu niza složenih struktura. Među njima su bili funkcionalni zupčanički sklopovi, zamršene rešetkaste konstrukcije te drugi objekti koji bi tradicionalnim metodama zahtijevali pažljivo i dugotrajno uklanjanje potpora. Jedan od primjera bio je i model dinosaura unutar potporne strukture oblika jajeta, koja se elegantno otopila otkrivajući savršeno očuvanu figuru.

"Sada možete, u jednom jedinom procesu tiska, izraditi višedijelne, funkcionalne sklopove s pokretnim ili međusobno povezanim dijelovima, a potpore jednostavno isprati," objašnjava Nicholas Diaco, diplomski student i jedan od vodećih istraživača na projektu. "Umjesto da taj materijal bacate, možete ga reciklirati na licu mjesta i generirati znatno manje otpada. To je naša krajnja nada."

Detalji ove inovativne metode objavljeni su u znanstvenom časopisu Advanced Materials Technologies krajem 2023. godine. Uz Diaca, koautori studije s MIT-a su Carl Thrasher, Max Hughes, Kevin Zhou, Michael Durso, Saechow Yap, profesor Robert Macfarlane i profesor A. John Hart, voditelj Odsjeka za strojarstvo na MIT-u.

Prevladavanje izazova konvencionalne fotopolimerizacije

Konvencionalna fotopolimerizacija u spremniku (VP) započinje s 3D računalnim modelom strukture koja se želi tiskati. Uz sam objekt, model uključuje i detaljne potporne strukture smještene oko, ispod i između dijelova objekta kako bi se osigurala stabilnost tijekom tiska. Računalni se model zatim "reže" na stotine ili tisuće tankih digitalnih slojeva koji se šalju VP pisaču.

Standardni VP pisač sastoji se od malog spremnika s tekućom smolom iznad kojeg se nalazi izvor svjetlosti. Svaki sloj modela prevodi se u odgovarajući svjetlosni uzorak koji se projicira na smolu, uzrokujući njezino stvrdnjavanje prema tom uzorku. Sloj po sloj, čvrsta, svjetlom otisnuta verzija modela i njegovih potpora formira se na radnoj platformi. Po završetku tiska, platforma podiže gotov dio iznad kupke sa smolom. Nakon ispiranja viška nevezane smole, slijedi faza ručnog uklanjanja potpora, najčešće korištenjem alata za rezanje i brušenje. Taj potporni materijal, kao što je ranije spomenuto, gotovo uvijek završava kao otpad.

"U većini slučajeva, ove potpore generiraju veliku količinu otpada," ističe Diaco, naglašavajući jedan od ključnih problema koje nova metoda rješava.

Kemija iza inovacije: Tisak i otapanje

Diaco i njegov tim tragali su za načinom kako pojednostaviti i ubrzati uklanjanje tiskanih potpora, s idealnim ciljem njihove reciklaže. Osmislili su opći koncept smole koja bi, ovisno o vrsti svjetlosti kojoj je izložena, mogla poprimiti jednu od dvije faze: otpornu fazu koja bi činila željenu 3D strukturu i sekundarnu fazu koja bi služila kao potporni materijal, ali bi bila lako topljiva.

Nakon detaljnog kemijskog istraživanja, tim je otkrio da takvu dvofaznu smolu mogu stvoriti miješanjem dvaju komercijalno dostupnih monomera, kemijskih građevnih blokova prisutnih u mnogim vrstama plastike. Kada ultraljubičasto svjetlo obasja smjesu, monomeri se povezuju u čvrsto umreženu strukturu, tvoreći robustan materijal otporan na otapanje. Kada se ista smjesa izloži vidljivoj svjetlosti, isti se monomeri također stvrdnjavaju, ali na molekularnoj razini rezultirajući polimerni lanci ostaju odvojeni jedni od drugih. Ovako formiran čvrsti materijal brzo se otapa kada se uroni u određena otapala.

Tijekom laboratorijskih testiranja s malim epruvetama nove smole, istraživači su potvrdili da se materijal doista transformira u netopljivi i topljivi oblik kao odgovor na UV, odnosno vidljivu svjetlost. Međutim, pri prelasku na 3D pisač s LED diodama slabijeg intenziteta od onih korištenih u laboratorijskim uvjetima, materijal stvrdnut UV svjetlom raspadao se u otopini. Slabija svjetlost samo je djelomično povezivala monomere, ostavljajući ih preslabo isprepletenima da bi zadržali strukturalni integritet.

Rješenje je pronađeno u dodavanju male količine trećeg, "premošćujućeg" monomera. Ovaj je dodatak omogućio snažnije povezivanje dvaju originalnih monomera pod UV svjetlom, stvarajući znatno čvršću mrežu. Ova modifikacija omogućila je istraživačima da istovremeno tiskaju otporne 3D strukture i topljive potpore koristeći vremenski usklađene impulse UV i vidljive svjetlosti u jednom ciklusu tiska.

Širok spektar primjena i budući smjerovi

Nova metoda otvara vrata proizvodnji izuzetno složenih dijelova, uključujući već spomenute zupčanike, rešetke, pa čak i lopticu unutar četvrtastog okvira, gdje su unutarnje potpore ključne, ali njihovo uklanjanje predstavlja veliki izazov. "Kod svih ovih struktura potrebna vam je mreža potpora iznutra i izvana tijekom tiska," kaže Diaco. "Uklanjanje tih potpora normalno zahtijeva pažljiv, ručni rad. Ovo pokazuje da možemo tiskati višedijelne sklopove s mnogo pokretnih dijelova te detaljne, personalizirane proizvode poput slušnih aparata i zubnih implantata na brz i održiv način."

Profesor strojarstva John Hart, jedan od voditelja istraživanja, dodaje: "Nastavit ćemo proučavati granice ovog procesa i želimo razviti dodatne smole s ovim valno-selektivnim ponašanjem i mehaničkim svojstvima potrebnim za izdržljive proizvode. Zajedno s automatiziranim rukovanjem dijelovima i recikliranjem otopljene smole u zatvorenom krugu, ovo je uzbudljiv put prema resursno učinkovitom i isplativom 3D tisku polimera u velikim razmjerima."

Potencijalne primjene ove tehnologije su goleme. U medicini, osim već navedenih slušnih pomagala i dentalnih implantata, otvaraju se mogućnosti za izradu anatomskih modela za kirurško planiranje s nevjerojatnom preciznošću, kao i za proizvodnju ortodontskih naprava. U industriji, brza izrada prototipova kompleksnih dijelova, funkcionalnih sklopova za strojeve ili čak komponenata za robotiku i zrakoplovnu industriju mogla bi doživjeti revoluciju. Sposobnost stvaranja zamršenih unutarnjih kanala i šupljina bez rizika od oštećenja pri uklanjanju potpora posebno je vrijedna.

Ovo istraživanje, koje pomiče granice aditivne proizvodnje, podržano je, između ostalih, od strane Centra za perceptivnu i interaktivnu inteligenciju (InnoHK) u Hong Kongu, američke Nacionalne zaklade za znanost (NSF), Ureda za pomorska istraživanja SAD-a (Office of Naval Research) te Istraživačkog ureda američke vojske (U.S. Army Research Office). Takva široka podrška ukazuje na prepoznati značaj i potencijal ove tehnologije, ne samo za znanstvenu zajednicu, već i za industrijsku primjenu i obrambene tehnologije. Inovacija iz Cambridgea tako postavlja nove standarde u održivosti i efikasnosti 3D tiska.

Daljnji razvoj će se vjerojatno usmjeriti na proširenje palete materijala koji pokazuju ovakvo selektivno ponašanje na različite valne duljine svjetlosti, kao i na optimizaciju mehaničkih, termalnih i kemijskih svojstava tako dobivenih materijala kako bi zadovoljili specifične zahtjeve različitih industrija. Integracija s naprednim softverskim rješenjima za automatizirano generiranje potpornih struktura optimiziranih za otapanje te razvoj sustava za automatsko rukovanje dijelovima i reciklažu smole u potpunosti zatvorenom krugu, ključni su koraci prema širokoj industrijskoj primjeni ove obećavajuće tehnologije 3D tiska.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology