Druk 3D śladami natury

Druk 3D śladami natury

Przyroda stworzyła wiele znakomitych materiałów kompozytowych, jak drewno czy kości. Są one lekkie i odpowiednio gęste, a jednocześnie cechuje je sztywność, wytrzymałość i odporność na uszkodzenia. Naukowcy próbowali powtórzyć to osiągnięcie, jednak do tej pory bezskutecznie. Dopiero niedawno badacze w laboratorium Lewisa na Harvardzie przedstawili nowatorską metodę drukowania 3D, która zapewnia kontrolę rozmieszczenia krótkich włókien osadzonych w matrycach polimerowych, dzięki czemu powstają materiały optymalne pod względem sztywności, wytrzymałości i właściwości mechanicznych.

Metodę swoją nazwali „rotacyjny druk 3 D". Jak wyjaśnia Jennifer A. Lewis, autorka badań: "Możliwość lokalnego kontrolowania orientacji włókien pozwala modelować materiały w sposób hierarchiczny, zbliżony do sposobu, w jaki buduje je przyroda." Kluczem jest choreografia prędkości i obrotu dyszy drukarki 3D. Osiąga się to przez wyposażenie obrotowego układu głowicy w silnik krokowy w celu sterowania prędkością kątową obrotowej podczas wytłaczania tuszu.

"Rotacyjny druk 3D może zostać użyty do uzyskania optymalnych lub prawie optymalnych układów włókien w każdym miejscu w zadrukowanej części, co skutkuje większą wytrzymałością i sztywnością przy mniejszej ilości materiału" - powiedział Compton, jeden z naukówców. Do tej pory w celu orientacji włókien używano pola magnetycznego czy elektrycznego. W tej metodzie kontrolowano po prostu sam przepływ tuszu.

Koncepcja zespołu może znaleźć zastosowanie na każdym etapie drukowania metodą wytłaczania materiału, od produkcji stopionego filamentu do produkcji termoplastycznych dodatków na dużą skalę. Co więcej, może być użyta z dowolnym materiałem wypełniacza, np. włóknami węglowymi czy szklanymi.

Dzięki rotacyjnemu drukowaniu można osiągnąć większą kontrolę nad miejscową struktura, a to oznacza większy wpływ na właściwości tworzonych materiałów. "Naturalne materiały kompozytowe charakteryzują się niezwykłymi właściwościami mechanicznymi: dużą sztywnością i wytrzymałością na jednostkę ciężaru i wysoką wytrzymałością Jednym z największych wyzwań związanych z projektowaniem materiałów inżynieryjnych inspirowanych kompozytami biologicznymi jest kontrola orientacji włókien w małych skalach długości i na poziomie lokalnym". - powiedziała Lorna J. Gibson, profesor inżynierii materiałowej w MIT, która nie brała udziału w badaniach. "Ta niezwykła praca grupy Lewisa pokazuje, jak to osiągnąć, co stanowi ogromny krok naprzód w projektowaniu kompozytów inspirowanych biologią".

(KB)