Новый подход к 3D-печати позволяет создавать сложные металлические и керамические структуры, которые могут быть использованы для датчиков, биомедицинских устройств и других устройств, требующих прочных, лёгких и сложных материалов.
«Наша работа не только позволяет изготавливать высококачественные металлы и керамику с помощью доступного и недорогого процесса 3D-печати, но и демонстрирует новую парадигму аддитивного производства, где выбор материала происходит после 3D-печати, а не до неё», — говорит Дэрил Йи, руководитель Лаборатории химии материалов и производства в Федеральной политехнической школе Лозанны, Швейцария.
Принцип работы
Для создания структур используется стандартная техника 3D-печати «vat photopolymerisation», при которой светочувствительная гидрогелевая смола затвердевает под воздействием лазера или ультрафиолетового света в желаемую структуру.
Затем пустые гидрогели погружают в растворы солей металлов на 60 минут при температуре 65 °C, чтобы ионы металлов проникли в структуру. Затем ионы преобразуются в наночастицы, содержащие металл, с помощью осаждающего агента.
«Цикл пропитки-преципитации затем повторяется несколько раз для увеличения массы наночастиц, содержащих металл, в гидрогелевом композите», — объясняют авторы исследования.
После 5–10 таких циклов роста происходит финальный этап нагрева, который сжигает оставшийся гидрогель и спекает наночастицы, содержащие металл, вместе, образуя металлический или керамический объект в форме исходного гидрогеля, напечатанного методом 3D-печати.
Результаты
В статье, опубликованной в журнале Advanced Materials, исследователи создали прочные и сложные структуры в виде «гироидной решётки» из металла (железа, серебра и меди) и керамики гексаферрита стронция (SrFe12O19).
«Наши материалы могут выдерживать в 20 раз большее давление по сравнению с материалами, полученными с помощью предыдущих методов, при этом демонстрируя усадку только на 20% по сравнению с 60–90%», — говорит аспирант и первый автор исследования Иминь Джи.
Значительная усадка ограничивает масштабируемость, поскольку требует непрактично больших полимерных шаблонов.
«Кроме того, значительная усадка этих больших шаблонов часто сопровождается значительным короблением, что ограничивает полезность конечных металлических деталей», — пишут авторы.
Новый подход позволил получить решётки, которые оставались почти плоскими после термической обработки.
«Хотя коробление иногда можно допустить в решётчатых структурах, оно становится крайне вредным для плоских или трубчатых структур», — добавляют исследователи.
Они использовали новый метод пропитки-преципитации для изготовления крошечных плоских железных шестерён и трубчатых стентов, которые хорошо сохраняли свою форму.
Потенциал технологии
«Снижение коробления, достигнутое с помощью нашего метода, расширяет диапазон изготавливаемых деталей», — пишут они.
«Эти стенты и шестерни являются представителями критически важных компонентов, используемых в биомедицинских и механических устройствах, что подчёркивает непосредственный потенциал нашей технологии для производства промышленных деталей, не относящихся к решётчатым».
«Помимо изготовления металлических деталей, наша технология также может быть применена для изготовления функциональной керамики. Чтобы продемонстрировать это, мы изготовили трёхмерные структуры в виде гироида из твёрдого магнитного гексаферрита стронция».
Хотя повторяющиеся циклы пропитки и преципитации делают метод более трудоёмким по сравнению с другими методами 3D-печати, используемыми для преобразования полимеров в металлы, Йи говорит, что они уже работают над сокращением общего времени обработки с помощью робота для автоматизации этих этапов.