Бульбашки газу допомогли матеріалу для 3D-друку розширитися в 40 разів

Американські хіміки розробили новий розширюється матеріал для 3D-друку. Вироби з такого матеріалу збільшуються в розмірах на 4000 відсотків - для цього достатньо нагріти їх до 200 градусів Цельсія. Розширення відбувається під дією маленьких бульбашок вуглекислого газу, що утворюються з ди--бутилдикарбонату, який додають до вихідного матеріалу перед печаткою. Результати дослідження опубліковані в журналі

За допомогою 3D-друку можна швидко і дешево створювати різні об'єкти з високим рівнем деталізації, вибір матеріалів для друку теж досить широкий. Одним з небагатьох обмежень залишається розмір отриманого виробу - зазвичай він не може перевищувати розмір використовуваного принтера. Великі об'єкти зазвичай друкуються по частинах, що не тільки збільшує час їх створення, але й впливає на механічні властивості фінального виробу.

Американські хіміки під керівництвом Джонатана Покорські (Jonathan K. Pokorski) з Каліфорнійського Університету в Сан-Дієго розробили новий матеріал для 3D-друку, вироби з якого можуть розширюватися при нагріванні. Вчені експериментували з недорогим 3D-принтером Anycubic Photon, який працює за принципом лазерної стереолітографії. Це один з найбільш поширених способів 3D-друку, в якому нові шари полімеру застигають під лазерним випромінюванням. Стереолітографія дозволяє друкувати швидко, проте обмежує користувачів у виборі матеріалу для друку: він повинен містити компоненти, які швидко полімеризуються під дією лазера.

Згідно із задумом авторів, розширення матеріалу відбувається за рахунок маленьких бульбашок газу, які утворюються за всім обсягом готового виробу, коли його нагрівають до певної температури. Матеріал, що розширюється, повинен включати в себе три компоненти: основу майбутнього полімеру (преполімер), фотоініціатор, який реагує на включення лазера і запускає процес полімерізації під час друку і газоутворюючий компонент, який в потрібний момент перетвориться на бульбашки газу і забезпечить розширення готового виробу. Щоб все спрацювало згідно з планом, необхідно виконати кілька умов. По-перше, газоутворюючий компонент повинен добре розчинятися в рідкому преполімері - в іншому випадку в готовому виробі газоутворюючий компонент буде розподілений нерівномірно, і при розширенні форма виробу може спотворитися. По-друге, температура розпаду газоутворюючої речовини повинна лежати в проміжку між температурою скловування і температурою плавлення отриманого полімеру - інакше при нагріванні готового виробу воно не збільшиться в обсязі, а розплавиться. По-третє, полімер повинен містити в собі невелику кількість крос-лінкерів - спеціальних сполучних груп, які допомагають полімеру заліковуватися під час швидкого розширення під дією бульбашок газу. Четверта умова додає використання Anycubic Photon: у цього 3D-принтера не найпотужніший лазер (1 мВт/см²), тому для основи потрібен полімер, для застивання якого достатньо такої потужності.

У пошуках ідеальної формули автори протестували два варіанти преполімера, три варіанти фотоініціатора і шість варіантів газоутворюючого компонента, комбінуючи їх у різних поєднаннях і пропорціях - всього було випробувано 73 зразки різного складу. В результаті в якості основи матеріалу вибрали 2-гідроксиетилметакрилат (HEMA), до нього додали десять масових відсотків ди--бутилдикарбонату (BOC₂O), який при нагріванні розпадається на достатний, трет-бутанол і вуглекислий газ. найефективнішим фотоініціатором виявилася суміш двох похідних оксиду фосфину - BAPO Tі P. Готові вироби нагрівали до 200 градусів Цельсія протягом 10 хвилин (температура розпаду BOC₂O), і вони поступово збільшувалися в обсязі. Авторам вдалося домогтися збільшення обсягу виробу на 4000 відсотків (у 40 разів) - це на два порядку більше, ніж результати попередніх досліджень. При цьому форма і пропорції виробів залишалися дуже близькими до первинних.

Щоб випробувати новий матеріал, з нього надрукували частину вітряної турбіни, а також іграшковий човен - останній може витримувати вагу в 20 разів більше власного. Автори припускають, що вироби з нового матеріалу надалі будуть використовуватися в будівництві, авіакосмічній промисловості, енергетиці та медицині.

Втім, збільшуються в обсязі матеріали - не єдиний спосіб створювати за допомогою 3D-друку великі об'єкти. Наприклад, минулого року американська компанія AMBOTS розробила мобільних роботів для розподіленого 3D-друку великих пластикових конструкцій. Такі роботи можуть одночасно друкувати одну конструкцію згідно із загальним планом.