Selektiv dual-wavelength olefin metatese 3D-printing:Hvordan ingeniører bruger SWAMP

3D-print har ændret verden. Det har givet rumfarts-, medicinal-, bilindustrien, fremstillingsindustrien og mange andre industrier mulighed for at tilpasse dele og prototyper på måder, de aldrig kunne før. Det har øget fleksibiliteten og omkostningseffektiviteten drastisk og samtidig reduceret spild og produktionstid. Men mange 3D-printede materialer er ikke de stærkeste.

Et hold af kemikere og materialeforskere hos Sandia håber at ændre det. De har udviklet en ny printproces, der udskriver stærkere ikke-metalliske materialer på rekordtid, fem gange hurtigere end traditionel 3D-print.

"Det åbner op for en helt ny verden af, hvad du kan bygge, og hvad 3D-materialer kan bruges til," sagde materialeforsker Samuel Leguizamon.

Han stod i spidsen for holdet, der udviklede SWAMP, som står for Selective Dual-Wavelength Olefin Metathesis 3D-Printing. Som det fremgår af navnet, bruger den dobbeltbølgelængde lys i modsætning til den traditionelle printproces.

Sådan fungerer 3D-print

Traditionelt udføres kar-3D-printning ved at bestråle et kar med lysfølsom flydende harpiks i et ønsket mønster.

Når harpiksen udsættes for lys fra under karret, hærder harpiksen og hærder til et polymerlag. Den hærdede polymer løftes derefter, og et nyt mønster projiceres nedenunder for at hærde efterfølgende lag.

En udfordring:Når polymeren hærder, klæber den til det foregående lag og til bunden af ​​karret. Efter hvert lag skal den hærdede polymer langsomt fjernes fra karret for at forhindre beskadigelse, hvilket sænker 3D-printprocessen betydeligt.

Medskaber Leah Appelhans sagde, at det er lidt ligesom at bage småkager. "Når du har bagt småkagerne, skal du lade dem køle af. Hvis du skulle prøve at pille den varme småkage af bagepladen, er den squishy, ​​og den går i stykker. Det samme ville ske med en 3D-printer, hvis du forsøgte at hurtigt udskrive hvert lag. Dit arbejde ville blive deformeret."

Samuel, Leah, tidligere Sandian Jeff Foster og polymerforsker Alex Commisso fandt på en måde at køle "cookies" hurtigere på.

UV og blåt lys

Nøglen er at kombinere to lys. I dette tilfælde ultraviolet og blåt lys.

Holdet tog inspiration fra en teknik kendt som kontinuert væskegrænsefladeudskrivning sammen med en udskrivningstilgang ved hjælp af lys med to bølgelængder til akrylbaserede polymerisationer.

Med det skabte de SWAMP.

"Du udskriver stadig lag for lag, men du bruger en anden bølgelængde af lys for at forhindre polymerisering i bunden af ​​karret. Så det klæber ikke til bunden," sagde Samuel. "Det betyder, at du kan løfte den hærdede polymerdel hurtigere og fremskynde printprocessen betydeligt."

Gør 3D-materialer stærkere

Men denne nye proces handler ikke kun om effektivitet. Det handler om at gøre 3D-printede materialer stærkere og mere alsidige. De fleste kar-polymerisationstrykte materialer er akrylbaserede, ikke det stærkeste materiale.

"Det er virkelig svært at bruge disse materialer i ting som fly og rumfart og rumfart og bilindustrien. De er meget barske miljøer," sagde Sandia-licenschef Bob Sleeper.

Dette hold henvendte sig til materialet dicyclopentadien, som er almindeligt anvendt i produktionen af ​​maling, lak og flammehæmmere til plast. De var i stand til at udvikle en måde at polymerisere det hurtigere med lys, så det kan bruges mere effektivt i 3D-print.

"Vi ændrede byggesten af ​​materialerne fra akrylbaseret til olefinbaseret," sagde Samuel. "Hvilket lader os udskrive materialer, der er meget hårdere."

"Det er det smukke ved det, de laver," sagde Bob. "Du har plastdele af meget høj kvalitet, der er lavet meget præcist ved at bruge noget lys på en meget ny måde."

Åbning af en ny verden af ​​3D-print

Dette team håber, at deres nye printproces vil åbne en verden af ​​3D-print.

"Det, vi forsøger at gøre, er at bygge værktøjskassen af ​​tilgængelige materialer," sagde Leah. "Vi ønsker, at designere, forskere, ingeniører skal være i stand til at vælge den type materiale, de vil bruge."

En dag håber de at se disse 3D-printede dele i raketter, motorer, batterier, måske endda i fusionsapplikationer. Samuel sagde, at de allerede taler med forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory for at udforske applikationer. "Det viser sig, at monomerer allerede bruges i fusionskomponenter. Man tænker normalt ikke på en polymer, der bruges i fusion, men det er et rigtig fedt og spændende potentiale."

Holdet ser også en verden, hvor 3D-print kan udføres lettere i fjerntliggende områder. "Vi kigger på steder, hvor maskiner og dele ikke er let tilgængelige; som i rummet, på månen eller i Mellemøsten på en amerikansk militærbase," sagde Bob. "Du kan tage nogle letvægtsmaterialer med dig og lave, hvad du har brug for på stedet."

Samuel, der voksede op i den lille by Wagener, South Carolina, tænker også på applikationer, der kunne hjælpe tættere på hjemmet.

"Jeg har heste. Jeg er vokset op i et landområde, min far var beslagsmed, så jeg tænker på måder at lave hestesko til væddeløbsheste på. De skal være slagfaste, men ved at ændre materialeegenskaberne kan stress være bedre spredt ud, og stød på den rigtige plads på hoven Du kunne tænke på det som indlægssåler til heste."

Mulighederne er uendelige.

"Jeg tror, ​​at det, der tiltrak mig til kemi i første omgang, er potentialet til at lave noget, der aldrig har eksisteret før," sagde Leah. "Det sjove ved 3D-print er, at du anvender den kemiske viden til noget, der har et meget konkret resultat. Noget, du kan se og holde i dine hænder."

Leveret af Sandia National Laboratories