Onderzoekers van de City University of Hong Kong (CityU) hebben een manier bedacht om 3D-geprinte polymeerroosteronderdelen 100 keer sterker te maken dan voorheen.
Vergeleken met traditionele warmtebehandelingen die geprinte plastic objecten versterken ten koste van vervormbaarheid, carboniseert CityU's aanpak ze eenvoudig gedeeltelijk om ze sterker en twee keer zo ductiel te maken. Met behulp van hun proces, zegt het team, is het mogelijk om complexe 3D-printing te bereiken met mechanische eigenschappen die zijn afgestemd op specifieke toepassingen, zoals coronaire stents of bio-implantaten.
"Het is verbazingwekkend dat we een manier hebben gevonden om fragiele en fragiele 3D-geprinte fotopolymeren om te zetten in ultrasterke 3D-structuren die wedijveren met metalen en legeringen, simpelweg door ze onder de juiste omstandigheden te verwarmen", zei CityU-professor Lu Yang. "Ons werk biedt een goedkope, eenvoudige en schaalbare route om lichtgewicht, sterke en kneedbare mechanische metamaterialen te fabriceren met vrijwel elke geometrie."
Op jacht naar de "heilige graal" van materialen
Volgens CityU-wetenschappers wordt de ontwikkeling van een polymeer dat lichtgewicht, maar tegelijkertijd ultrasterk en ductiel is, beschouwd als de "heilige graal" van materiaalonderzoek en -ontwikkeling, maar deze eigenschappen sluiten elkaar vaak uit.
Dit komt omdat pyrolyse, een proces dat gewoonlijk wordt gebruikt om plastic onderdelen om te zetten in versterkte koolstof door verhitting in een inerte atmosfeer, bijna alle vervormbaarheid van het oorspronkelijke polymeer wegneemt. Hoewel het team erkent dat er andere plastische versterkingsmethoden bestaan, zeggen ze dat deze ook resulteren in "inherente brosheid en lage taaiheid" die "de structurele toepassingen [van het laatste onderdeel] beperken".
Deze tekortkomingen beperken met name de fabricage van onderdelen van "metamaterialen", die zijn ontworpen om eigenschappen te hebben die niet worden gevonden in natuurlijke grondstoffen. Bepaalde iteraties hiervan kunnen worden gebruikt om microroosters te maken die lichtgewicht structurele ontwerpen combineren met de kwaliteiten van de materialen waarvan ze zijn gemaakt, maar de onderzoekers zeggen dat hun 3D-printmogelijkheden nog steeds beperkt zijn.
"Sterke en stoere architecturale componenten vereisen vaak metalen of legeringen voor 3D-printen, maar ze zijn niet direct beschikbaar vanwege de hoge kosten en lage resolutie van commerciële metalen 3D-printers en grondstoffen," voegde Yang toe. "Polymeren zijn gemakkelijker verkrijgbaar, maar missen vaak mechanische sterkte of taaiheid."
Ontwikkel polymeren die 100 keer sterker zijn
Tijdens het bestuderen van 3D-geprinte polymeerroosters, zei het CityU-team dat ze een manier hadden bedacht om ze te verwarmen tot een "magische" staat van gedeeltelijke carbonisatie. Door de verwarmingssnelheid, temperatuur, duur en gasomgeving van het pyrolyseproces zorgvuldig te regelen, ontdekten de wetenschappers dat de stijfheid, sterkte en ductiliteit van de microroosters in een enkele stap konden worden verhoogd.
De onderzoekers deden deze ontdekking door middel van een reeks karakteriseringstechnieken die onthulden dat langzame verwarming ervoor zorgt dat de polymeerketens van het materiaal een onvolledige transformatie ondergaan tijdens de pyrolytische transformatie. Dit creëert een hybride materiaal waarin structureel versterkte koolstoffragmenten en losjes verknoopte polymeerketens die voorkomen dat het composiet barst, synergetisch naast elkaar bestaan.
Door verder onderzoek en ontwikkeling ontdekten de onderzoekers dat de verhouding van polymeer tot koolstoffragmenten ook van cruciaal belang is voor het produceren van onderdelen die zijn geoptimaliseerd voor sterkte en vervormbaarheid. Door hun theorie op de proef te stellen, creëerde het team verschillende testprints waarin ze iteratief een verkoold rooster konden ontwikkelen dat 100 keer sterker en twee keer zo ductiel was als voorheen.
Als een toegevoegde bonus vertoonden de "hybride koolstof" microroosters van de onderzoekers ook een betere biocompatibiliteit dan hun basispolymeren en er werd zelfs aangetoond dat ze de cellulaire bioactiviteit beter ondersteunen. Met dit in gedachten is het team van mening dat hun proces kan worden gebruikt om de functionaliteit van een verscheidenheid aan andere polymeren uit te breiden en nieuwe 3D-printmaterialen voor medische, robot- en energie-apparaten te ontgrendelen.
Voorbeelden van coronaire stents 3D geprint van verkoolde materialen