3D nano-blæk flytter branchegrænser

En ny, 3D-printbar polymer nanokompositblæk har utrolige egenskaber - og mange applikationer i rumfart, medicin og elektronik.

Maskiningeniørforskere ved Michigan Technological University har skabt en måde at lave en 3D-printbar nanokomposit polymerblæk, der bruger carbon nanorør (CNT'er) - kendt for deres høje trækstyrke og lethed. Denne revolutionerende blæk kan erstatte epoxyer - og at forstå, hvorfor dens egenskaber er så fantastiske, er et første skridt mod massebrug.

3D print, også kendt som additiv fremstilling, er mere alsidig og effektiv end støbning. Det tilføjer et materiale med præcision, ofte i komplekse geometrier, med betydeligt mindre overskud at skære væk. Tilføjelse af lavdimensionelle nanomaterialer såsom CNT'er, grafen, metal nanopartikler og kvanteprikker gør det muligt for 3D-printede materialer at tilpasse sig eksterne stimuli, giver dem funktioner såsom elektrisk og termisk ledningsevne, magnetisme og elektrokemisk lagring.

Men 3D-print ved hjælp af plastik, metal eller noget helt andet er ikke nyt. Hvad tekniske forskere har gjort anderledes, er at bruge polymer nanokompositter (lavet af epoxy, kulstof nanorør og nano-ler) og en printproces, der ikke ofrer funktionalitet. Forbindelsen mellem materialetype og morfologi - størrelse, form, struktur - i polymer nanokompositblæk er den ultimative formmødefunktion.

Udforskning af processen, morfologi og egenskaber af polymert blæk er emnet for en artikel, der for nylig er offentliggjort i tidsskriftet Additiv fremstilling af Parisa Pour Shahid Saeed Abadi, en ingeniør, der udforsker grænsefladen mellem materialer, mekanik og medicin, og kandidatstuderende Masoud Kasraie.

Abadi og Kasraie påpeger, at før forskerne kan springe ud til løbene ved hjælp af polymerblæk, de skal først lære at gå. Det første trin er at grave i skæringspunktet mellem makroskalaen (hvordan vores øjne ser et materiale præstere) og nanoskalaen (det vi ikke kan se, men ved sker).

Opbygning af forståelse før markedsandel

Mens polymer nanokompositter og 3D-printprodukter og -tjenester begge har en markedsværdi på milliarder dollars, nanomateriale 3D-printning har kun en markedsværdi på cirka $43 millioner, Abadi bemærkede.

"For national velstand og opretholdelse af global lederskab inden for fremstilling, kløften mellem de virkelige anvendelser af 3D-print og nanomaterialer versus nanomateriale 3D-print skal lukkes, "Abadi sagde. "Kløften eksisterer på grund af manglende kontrol af nanokompositegenskaber i 3D-printprocessen, fordi vi ikke fuldt ud forstår forholdet proces-morfologi-egenskab."

Flaskehalsen er at forstå det komplekse samspil mellem makro-skala mekanikken i 3D-print processer og nano-skala mekanik og fysik af nanokompositter. Abadi og Kasraies forskning søger at løsne flaskehalsen ved at udforske forholdet mellem 3D-printprocesparametre og nanomaterialemorfologi i nanokomposittrykfarver, som er den vigtigste, men mindst udforskede brik i puslespillet.

De mange fordele ved nanomateriale blæk

Bevæger sig ud over videnskaben om nanokompositblæk, materialet lover meget på grund af dets mange funktionaliteter. En fordel ved 3D-print er næsten fuldstændig kontrol over det endelige produkts form.

Ledningsevnen af ​​Abadi og Kasraies nanomateriale blæk er en usædvanlig praktisk egenskab, der giver den trykte epoxy potentialet til at fungere som elektriske ledninger - uanset om det er i et printkort, en flyvemaskines vinge eller i 3D-printede aktuatorer til styring af katetre i blodkar. En anden nyttig egenskab ved nanokompositpolymerblæk er dets styrke.

"I sammenligning med stål og aluminium, vi ser 80 % vægtreduktion med epoxykomposit med samme styrke, " sagde Kasraie.

Endelig, inden for det medicinske område og rumfarts- og elektronikindustrien, hvor defekter og skader kan betyde store problemer, nanokompositterne tjener en sikkerhedsfunktion.

"Når noget går i stykker, en lille revne starter fra en mikroskala defekt og fortsætter, indtil den bryder hele strukturen, " sagde Abadi. "Nanokompositfunktioner laver broer i disse revner og lader ikke revnerne vokse. Dette er en af ​​de mekanismer, hvorigennem kulstofnanorør øger materialets mekaniske styrke."

Ejendom-til-vægt-forhold, elektrisk ledningsevne, øget styrke og let påføring er blot nogle få af de mange lovende grunde til, at polymer nanokompositblæk sandsynligvis vil erstatte traditionelle epoxier.