Nový 3D tisk pro složité konstrukce s nižším odpadem

Tags: 3D tisk | Fotopolymerizace | MIT | Pryskyřice | UV tisk

Slu­chadla, chrá­ni­če zubů, zubní im­plan­tá­ty a další vy­so­ce při­způ­so­be­né kon­struk­ce jsou často pro­duk­ty 3D tisku. Tyto struk­tu­ry se ob­vykle vy­rá­bě­jí fo­to­po­ly­me­ri­za­cí v ná­do­bách s prys­ky­ři­cí – for­mou 3D tisku, která vy­u­ží­vá svě­tel­né vzory k tva­ro­vá­ní a tuhnu­tí prys­ky­ři­ce po jed­not­li­vých vrst­vách. Pro­ces za­hr­nu­je také tisk kon­strukč­ních pod­pěr ze stej­né­ho ma­te­ri­á­lu, které drží vý­ro­bek na místě během tisku.

Jakmi­le je vý­ro­bek plně zfor­mo­ván, pod­pě­ry se ručně od­stra­ní a ob­vykle se vy­ho­dí jako ne­po­u­ži­tel­ný odpad.

In­že­ný­ři z MIT našli způ­sob, jak tento po­sled­ní do­kon­čo­va­cí krok obe­jít, a to způ­so­bem, který by mohl vý­raz­ně urych­lit pro­ces 3D tisku. Vy­vi­nu­li prys­ky­ři­ci, která se mění na dva různé druhy pev­ných látek v zá­vis­los­ti na typu svět­la, které na ni svítí: ul­tra­fia­lo­vé svět­lo vy­tvr­zu­je prys­ky­ři­ci ve vy­so­ce odol­nou pev­nou látku, za­tím­co vi­di­tel­né svět­lo mění tutéž prys­ky­ři­ci v pev­nou látku, která se snad­no roz­pouš­tí v ur­či­tých roz­pouš­tě­dlech.

Tým vy­sta­vil novou prys­ky­ři­ci sou­čas­ně pů­so­be­ní UV svět­la, aby se vy­tvo­ři­la pevná struk­tu­ra, a také vi­di­tel­né­ho svět­la, aby se vy­tvo­ři­ly pod­pě­ry struk­tu­ry. Místo toho, aby mu­se­li pod­pě­ry opa­tr­ně od­dě­lit, jed­no­du­še po­no­ři­li vy­tiš­tě­ný ma­te­ri­ál do roz­to­ku, který roz­pus­til pod­pě­ry a od­ha­lil pev­nou, UV tis­kem vy­tiš­tě­nou část.

Pod­pě­ry se mohou roz­pus­tit v růz­ných roz­to­cích vhod­ných pro po­tra­vi­ny, včet­ně dět­ské­ho oleje. Za­jí­ma­vé je, že pod­pě­ry se mohou roz­pouš­tět i v hlav­ní ka­pal­né slož­ce pů­vod­ní prys­ky­ři­ce, jako kost­ka ledu ve vodě. To zna­me­ná, že ma­te­ri­ál po­u­ži­tý k tisku kon­strukč­ních pod­pěr by mohl být prů­běž­ně recyklo­ván. Jakmi­le se pod­půr­ný ma­te­ri­ál vy­tiš­tě­né kon­struk­ce roz­pus­tí, může být tato směs přímo při­mí­chá­na zpět do čer­stvé prys­ky­ři­ce a po­u­ži­ta k tisku další sady dílů – spolu s je­jich roz­pust­ný­mi pod­pě­ra­mi.

Vý­zkum­ní­ci po­u­ži­li novou me­to­du k tisku slo­ži­tých struk­tur, včet­ně funkč­ních pře­vo­do­vých sou­stav a slo­ži­tých mří­žek.

Odstraňování odpadu

Kon­venč­ní fo­to­po­ly­me­ri­za­ce v ná­do­bách (VP) za­čí­ná 3D po­čí­ta­čo­vým mo­de­lem struk­tu­ry, která se má vy­tisk­nout – na­pří­klad dvou vzá­jem­ně pro­po­je­ných ozu­be­ných kol. Kromě sa­mot­ných ozu­be­ných kol model ob­sa­hu­je malé pod­půr­né struk­tu­ry kolem, pod a mezi ozu­be­ný­mi koly, které udr­žu­jí všech­ny prvky na svém místě během tisku dílu. Tento po­čí­ta­čo­vý model se pak rozře­že na mnoho di­gi­tál­ních vrs­tev, které se ode­šlou do tis­kár­ny VP k tisku.

Stan­dard­ní VP tis­kár­na ob­sa­hu­je malou ná­do­bu s te­ku­tou prys­ky­ři­cí, která je umís­tě­na nad zdro­jem svět­la. Každý plá­tek mo­de­lu se pře­ve­de na od­po­ví­da­jí­cí svě­tel­ný vzor, který se pro­mít­ne na te­ku­tou prys­ky­ři­ci, jež ztuh­ne do stej­né­ho vzoru. Vrst­vu po vrst­vě se na sta­veb­ní plo­ši­ně vy­tvo­ří pevná, svět­lem vy­tiš­tě­ná verze ozu­be­ných kol a pod­pěr mo­de­lu. Po do­kon­če­ní tisku plo­ši­na zved­ne ho­to­vý díl nad lázeň s prys­ky­ři­cí. Jakmi­le je pře­by­teč­ná prys­ky­ři­ce vy­my­ta, může se člo­věk pus­tit do ruč­ní­ho od­st­raňování me­zi­leh­lých pod­pěr, ob­vykle po­mo­cí oře­zá­vá­ní a pi­lo­vá­ní, a pod­půr­ný ma­te­ri­ál se na­ko­nec vy­ho­dí.

Tisk a ponořování

Vý­zkum­ní­ci MIT hle­da­li způ­sob, jak zjed­no­du­šit a urych­lit od­st­raňování po­tiš­tě­ných no­si­čů a v ide­ál­ním pří­pa­dě je při­tom recyklo­vat. Při­šli s obec­ným kon­cep­tem prys­ky­ři­ce, která může v zá­vis­los­ti na typu svět­la, kte­ré­mu je vy­sta­ve­na, na­bý­vat jedné ze dvou fází: pruž­né fáze, která by vy­tvo­ři­la po­ža­do­va­nou 3D struk­tu­ru, a sekun­dár­ní fáze, která by fun­go­va­la jako pod­půr­ný ma­te­ri­ál, ale zá­ro­veň by se dala snad­no roz­pus­tit.

Poté, co se tým za­bý­val ně­kte­rý­mi che­mic­ký­mi po­stu­py, zjis­til, že by ta­ko­vou dvou­fá­zo­vou prys­ky­ři­ci mohl vy­ro­bit smí­chá­ním dvou ko­merč­ně do­stup­ných mo­no­me­rů, che­mic­kých sta­veb­ních ka­me­nů, které se na­chá­ze­jí v mnoha ty­pech plas­tů. Když na směs po­sví­tí ul­tra­fia­lo­vé svět­lo, mo­no­me­ry se spojí do pevně pro­po­je­né sítě a vy­tvo­ří hou­žev­na­tou pev­nou látku, která odolá roz­puš­tě­ní. Když je stej­ná směs vy­sta­ve­na vi­di­tel­né­mu svět­lu, stej­né mo­no­me­ry stále vy­tvr­zu­jí, ale na mo­le­ku­lár­ní úrov­ni zů­stá­va­jí vý­sled­ná mo­no­mer­ní vlák­na od sebe od­dě­le­ná. Tato pevná látka se může při umís­tě­ní do ur­či­tých roz­to­ků rych­le roz­pus­tit.

Při stol­ních tes­tech s ma­lý­mi lah­vič­ka­mi nové prys­ky­ři­ce vědci zjis­ti­li, že se ma­te­ri­ál v re­ak­ci na ul­tra­fia­lo­vé a vi­di­tel­né svět­lo mění na ne­roz­pust­nou a roz­pust­nou formu. Když však pře­šli na 3D tis­kár­nu s LED di­o­da­mi slab­ší­mi než na stol­ní tis­kár­ně, ma­te­ri­ál vy­tvr­ze­ný UV zá­ře­ním se v roz­to­ku roz­pa­dl. Slab­ší svět­lo pouze čás­teč­ně pro­po­ji­lo mo­no­mer­ní vlák­na a za­ne­cha­lo je pří­liš volně pro­vá­za­né, než aby udr­že­ly struk­tu­ru po­hro­ma­dě.

Vý­zkum­ní­ci zjis­ti­li, že při­dá­ním ma­lé­ho množ­ství tře­tí­ho „pře­mos­ťu­jí­cí­ho“ mo­no­me­ru lze pod UV svět­lem spo­jit dva pů­vod­ní mo­no­me­ry do­hro­ma­dy a vy­tvo­řit z nich mno­hem pev­něj­ší struk­tu­ru. Toto ře­še­ní umož­ni­lo vý­zkum­ní­kům tisk­nout sou­čas­ně odol­né 3D struk­tu­ry a roz­pust­né no­si­če po­mo­cí ča­so­va­ných pulzů UV a vi­di­tel­né­ho svět­la v jed­nom cyklu.

Tým po­u­žil novou me­to­du k tisku růz­ných slo­ži­tých struk­tur, včet­ně vzá­jem­ně pro­po­je­ných ozu­be­ných kol, slo­ži­tých mří­žek, koule ve čtver­co­vém rámu a pro za­jí­ma­vost i ma­lé­ho di­no­sau­ra uza­vře­né­ho v pod­pě­ře ve tvaru vejce, která se po po­no­ře­ní do roz­to­ku roz­pus­ti­la.

U všech těch­to struk­tur je po­tře­ba při tisku mříž­ka pod­pěr uvnitř i vně. Od­stra­ně­ní pod­pěr ob­vykle vy­ža­du­je opa­tr­né ruční od­stra­ně­ní. To uka­zu­je, že se dají tisk­nout ví­ce­díl­né se­sta­vy se spous­tou po­hyb­li­vých částí a de­tail­ní, per­so­na­li­zo­va­né vý­rob­ky, jako jsou slu­chadla a zubní im­plan­tá­ty, způ­so­bem, který je rych­lý a udr­ži­tel­ný.

Stu­diu li­mi­tů to­ho­to pro­ce­su bude po­kra­čo­vat a cílem je vy­vi­nout další prys­ky­ři­ce s tímto vl­no­vě se­lek­tiv­ním cho­vá­ním a me­cha­nic­ký­mi vlast­nost­mi po­třeb­ný­mi pro tr­van­li­vé vý­rob­ky. Spolu s au­to­ma­ti­zo­va­nou ma­ni­pu­la­cí s díly a uza­vře­nou smyč­kou opě­tov­né­ho po­u­ži­tí roz­puš­tě­né prys­ky­ři­ce jde o cestu ke zdro­jo­vě efek­tiv­ní­mu a ná­kla­do­vě úspor­né­mu po­ly­mer­ní­mu 3D tisku ve vel­kém mě­řít­ku.

Tento vý­zkum byl čás­teč­ně pod­po­řen Cen­t­rem pro vní­má­ní a in­ter­ak­tiv­ní in­te­li­gen­ci (In­noHK) v Hon­g­kon­gu, Ná­rod­ní vě­dec­kou na­da­cí USA, Úřa­dem pro ná­moř­ní vý­zkum USA a Vý­zkum­ným úřa­dem ar­má­dy USA.

Zdroj: MIT news report