3D-печать эпоксидными композитами позволяет имитировать свойства материала из пробкового дерева
В настоящее время уже широко используются для 3D-печати такие материалы, как термопластик и УФ-отверждаемые полимеры, но теперь ученые из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук объединились с Институтом биоинженерии Висса для создания термореактивного полимера для 3D-печати на эпоксидной основе. Эти эпоксидные композиты позволяют производить печать материалами, которые используются в качестве структурных компонентов для легких сооружений. Эти новые 3D-материалы состоят из эпоксидных смол, в сочетании с частичками наноглины для повышения вязкости и соединением диметил метилфосфоната. К этой смеси добавляются два наполнителя, карбин кремния и углеродные волокна.
Направленность этих наполнителей в материале определяет универсальность и прочность печатного материала. Эта смесь представляет собой такой композит, чью прочность и жесткость можно регулировать, и который примерно на 200% прочнее, чем самые лучшие печатные полимерные композиты в настоящее время. Описание исследования было опубликовано в статье «3D-печать легких целлюлярных композитов» в одном из выпусков журнала Advanced Materials, в соавторстве Бретта Комптона и Дженнифера Льюиса.
3D-печать эпоксидными композитами целлюлярных структур. На правом снимке видно, как волокна выравниваются при прохождении через сопло экструдера.
Лорна Гибсон, профессор материаловедения и машиностроения в Массачусетском Технологическом Институте объяснила значимость этого исследования:
«Этот документ впервые демонстрирует 3D-печать целлюлярных конструкций с укрепленными волокном стенками ячеек. Особое значение имеет то, что волокна можно выравнивать, посредством контроля соотношения таких параметров, как длина волокна относительно его диаметра и диаметр сопла. Это знаменует собой важный шаг вперед в разработке строительных материалов, которые имитируют дерево».
Почему же так важно имитировать древесину подобным образом? В конце концов, у нас ведь есть древесина, так?
Основной потенциал для использования этого материала – это создание структурных сот, которые будут служить заполнителем внутри лопастей ветровых турбин. В настоящее время, эти лопасти заполнены изнутри сжатыми строительными материалами, одним из которых является пробковая древесина.
Не смотря на то, что бальза (пробковое дерево) считается быстро-растущим деревом и относится к быстро возобновляемым ресурсам, его древесина имеет небольшие вариации, из-за которых бывает довольно сложно подобрать именно то, которое полностью соответствует требованиям установленным для такой продукции. Кроме того, древесина бальзы - относительно дорогой материал, и поскольку длина лопастей, используемых в подобных ветротурбинах увеличивается, некоторые из которых уже сегодня составляют около 250 футов в длину, стоимость и потребность в точности также возрастает. Используя этот материал и технологию 3D-печати, исследователи смогли создать целлюлярные композитные материалы, которые по своим свойствам превосходят древесину бальзы.
Но этот материал может применяться не только в ветровых турбинах, поскольку требования к топливной экономичности двигателя в автомобильной промышленности становятся все строже, прочный и легкий материал, такой, как этот, может стать именно тем, что поможет дизайнерам создавать все более совершенные автомобили, соответствующие этим стандартам.
Комптон так видит будущее применение этого эпоксидного композита:
«Поскольку нам удалось достичь дополнительных уровней управления в выравнивании наполнителей и узнать, как лучше интегрировать эти направленные волокна в дизайн компонентов, мы можем далее оптимизировать дизайн компонентов с целью повышения эффективности материалов. В конце концов, мы сможем использовать технологию 3D-печати для изменения степени выравнивания волокон и местной композиции на лету».
Различные целлюлярные структуры, выполненные при помощи 3D-печати из эпоксидных композитов с углеродными волокнами
В планы будущих исследований этой команды входит изучение термореактивных полимеров, включающие в себя точно выровненые и смешанные наполнители, в качестве потенциальных материалов, обладающих исключительными структурными и проводящими свойствами.
