Forskere opfinder teknologi til at afhjælpe 3-D-prints svage punkt

Giver brugerne mulighed for at skabe genstande fra simpelt legetøj til brugerdefinerede protesedele, plast er et populært 3D-printmateriale. Men disse trykte dele er mekanisk svage - en fejl forårsaget af den ufuldkomne binding mellem de individuelle trykte lag, der udgør 3-D-delen.

Forskere ved Texas A&M University, i samarbejde med forskere i virksomheden Essentium, Inc. har nu udviklet den teknologi, der er nødvendig for at overvinde 3-D-prints "svage punkt". Ved at integrere plasmavidenskab og kulstofnanorørteknologi i standard 3D-print, forskerne svejsede tilstødende trykte lag mere effektivt, øge den samlede pålidelighed af den sidste del.

"At finde en måde at afhjælpe den utilstrækkelige binding mellem udskrevne lag har været en løbende søgen i 3-D-printområdet, " sagde Micah Green, lektor i Artie McFerrin Department of Chemical Engineering. "Vi har nu udviklet en sofistikeret teknologi, der kan styrke svejsningen mellem disse lag, mens vi udskriver 3-D delen."

Deres resultater blev offentliggjort i februarudgaven af ​​tidsskriftet Nano bogstaver .

Plast bruges almindeligvis til ekstrudering af 3D-print, kendt teknisk som fused-deposition modellering. I denne teknik, smeltet plast presses ud af en dyse, der udskriver dele lag for lag. Når de trykte lag afkøles, de smelter sammen for at skabe den sidste 3D-del.

Imidlertid, undersøgelser viser, at disse lag slutter ufuldkomment; trykte dele er svagere end identiske dele fremstillet ved sprøjtestøbning, hvor smeltet plast blot antager formen af ​​en forudindstillet form ved afkøling. For at forbinde disse grænseflader mere grundigt, ekstra opvarmning er påkrævet, men opvarmning af trykte dele ved hjælp af noget, der ligner en ovn, har en stor ulempe.

"Hvis du sætter noget i en ovn, det kommer til at opvarme alt, så en 3-D-printet del kan deformeres og smelte, miste sin form, " sagde Green. "Det, vi virkelig havde brug for, var en måde at opvarme kun grænsefladerne mellem udskrevne lag og ikke hele delen."

For at fremme binding mellem lag, holdet henvendte sig til kulstof nanorør. Da disse kulstofpartikler opvarmes som reaktion på elektriske strømme, forskerne coated overfladen af ​​hvert trykt lag med disse nanomaterialer. Svarende til opvarmningseffekten af ​​mikrobølger på mad, holdet fandt ud af, at disse kulstof nanorør-belægninger kan opvarmes ved hjælp af elektriske strømme, lader de udskrevne lag binde sammen.

For at anvende elektricitet, mens objektet udskrives, strømmene skal overvinde et lille luftrum mellem printhovedet og 3D-delen. En mulighed for at bygge bro over dette luftgab er at bruge metalelektroder, der direkte berører den trykte del, men Green sagde, at denne kontakt kan introducere utilsigtet skade på delen.

Holdet samarbejdede med David Staack, lektor i J. Mike Walker '66 Department of Mechanical Engineering, at generere en stråle af ladede luftpartikler, eller plasma, der kunne bære en elektrisk ladning til overfladen af ​​den trykte del. Denne teknik tillod elektriske strømme at passere gennem den trykte del, opvarmning af nanorørene og sammensvejsning af lagene.

Med plasmateknologien og det carbon nanorør-coatede termoplastiske materiale på plads, Forskere fra Texas A&M og Essentium tilføjede begge disse komponenter til konventionelle 3-D-printere. Da forskerne testede styrken af ​​3-D-printede dele ved hjælp af deres nye teknologi, de fandt ud af, at deres styrke var sammenlignelig med sprøjtestøbte dele.

"Den hellige gral ved 3-D-print har været at få styrken af ​​den 3-D-printede del til at matche styrken af ​​en støbt del, " sagde Green. "I denne undersøgelse, vi har med succes brugt lokaliseret opvarmning til at styrke 3-D-printede dele, så deres mekaniske egenskaber nu kan konkurrere med støbte dele. Med vores teknologi, brugere kan nu udskrive en brugerdefineret del, som en individuelt tilpasset protese, og denne varmebehandlede del vil være meget stærkere end før."