Samopopravljivi materiali za 3D tiskanje

 

1               Uvod

3D tiskanje je proizvodnji proces, pri katerem so predmeti izdelani plast za plastjo iz digitalnega CAD (Computer Aided Design) modela. Prednosti 3D tiskanja so številne in raznolike. Vključujejo svobodo oblikovanja, možnost izdelave kompleksnih oblik in stroškovno učinkovito proizvodnjo. Zaradi tega je ta tehnologija našla uporabo na različnih področjih. Kljub tem prednostim ostajajo pomembne ovire, ki omejujejo širšo uporabo 3D tiskalnikov. Eden najpomembnejši izzivov te tehnologije je zagotavljanje trajnosti in zanesljivost materialov, ki se uporabljajo pri 3D tiskanju. Zaradi hitrega razvoja in večje dostopnosti je postalo ključno, da se razvijejo novi materiali z edinstvenimi funkcionalnostmi, primernimi za 3D natisnjene komponente. V zadnjem času so vse bolj pogosti polimerni materiali s samopopravljivimi lastnostmi, katerih struktura omogoča, da se po fizičnih poškodbah sami obnovijo in znova povežejo v prvotno obliko, ne da bi pri tem prišlo do deformacij. Z izkoriščanjem te lastnosti si raziskovalci prizadevajo premagati trenutne ovire, kot so nizke mehanske lastnosti, odpadki materiala in težave pri tiskanju. Tako bi lahko omogočili izdelavo bolj vzdržnih in zanesljivih 3D tiskanih izdelkov, ki bi lahko našli širšo uporabo v različnih industrijah, vključno s proizvodnjo, medicino in gradbeništvom.

 

2               Materialne zahteve

Materialne lastnosti za 3D tiskanje so odvisne od namena komponente in izbrane metode tiskanja. Obstaja več različnih tehnologij 3D tiskanja, ki se uporabljajo s polimernimi materiali. Za vsako od teh tehnologij so določene specifične zahteve glede surovin in obnašanja materiala med procesom tiskanja. Ena izmed najbolj razširjenih metod je FFF (Fused Filament Fabrication) tehnologija, kjer se plastični filament stopi in nato natančno nanese plast za plastjo. SLA (stereolitografija) in DLP (digitalno svetlobno procesiranje) sta tehnologiji, ki uporabljata svetlobo za strjevanje tekočih smol v želeno obliko. SLS (selektivno lasersko sintranje) pa uporablja laserski žarek za taljenje prahu in oblikovanje trdnih objektov. Vsaka od teh metod ima svoje prednosti in omejitve, ki vplivajo na končne materialne lastnosti tiskanih predmetov. V nadaljevanju bo opisana samo tehnologija FFF, saj je ta najbolj razširjena metoda.

 

3               FFF tehnologija

FFF tehnologija spada med najbolj priljubljene metode 3D tiskanja zaradi svoje enostavne uporabe in široke dostopnosti. Deluje na principu ekstruzije termoplastičnega filamenta skozi ogreto šobo, ki selektivno nanese material plast za plastjo po predhodno določeni poti. Ta postopek omogoča izdelavo kompleksnih 3D objektov brez potrebe po tradicionalnih orodjih. Filament vstopa v ogreto šobo, kjer se pri visokih temperaturah stopi v tekoče stanje. Šoba se nato premika vodoravno po ravnini gradnje, medtem ko se taljeni material nanese in ohladi, da tvori trdno plast. Po vsaki natisnjeni plasti se tiskalna miza spusti za eno plast in postopek se ponovi, dokler ni izdelan celoten 3D objekt. Tehnologija je prikazana na sliki 3.1. Pri FFF tehnologiji je izbira materiala raznolika, saj obstaja širok nabor termoplastičnih filamentov, kot so ABS, PLA, PETG in drugi. To zagotavlja raznovrstnost materialnih lastnosti in možnosti za različne aplikacije. FFF tiskalniki so priljubljeni zaradi svoje sposobnosti tiskanja kompleksnejših geometrij in relativno nizkih stroškov uporabe. So primerni za številne industrijske, oblikovalne, izobraževalne, prototipne in domače aplikacije. Ta tehnologija je ključnega pomena za raziskave, kjer je potrebna fleksibilnost pri materialih in geometriji tiskanih predmetov.

 

Slika 3.1: FFF tehnologija [2]

 

4               Samopopravljivi polimeri

Samopopravljive polimere poznamo že desetletja. Zanimivi so predvsem zaradi svoje izjemne sposobnosti, da se ob poškodbi sami popravijo in ponovno pridobijo svojo funkcionalnost, kar podaljšuje njihovo življenjsko dobo. Ta proces samopopravljanja se lahko zgodi na dva načina: samodejno ali nesamodejno.

Pri samodejnem celjenju materiala se proces sproži kot neposredna posledica same poškodbe. To pomeni, da material vsebuje vgrajene mehanizme, ki zaznajo poškodbo in avtomatično sprožijo proces popravljanja. Primer takega mehanizma je prisotnost mikrokapsul, napolnjenih s celilnimi sredstvi, ki se ob poškodbi pretrgajo in sprostijo svojo vsebino, kar omogoča celjenje materiala. Nasprotno pa nesamodejno celjenje zahteva dodatno zunanje posredovanje, kot je toplotna ali svetlobna energija. Ta vrsta celjenja vključuje uporabo zunanjih virov energije, ki aktivirajo celilne procese v materialu. Na primer, polimer lahko vsebuje termično občutljive komponente, ki se aktivirajo le pri določenih temperaturah, kar povzroči obnovo poškodovanih delov.

Glede na mehanizem delovanja ločimo zunanje in notranje procese celjenja. Zunanji mehanizmi potrebujejo za uspešno delovanje zunanja celilna sredstva, kot so monomeri, katalizatorji ali različni povezovalci, ki so vgrajeni v sistem. Ti materiali so lahko v obliki mikrokapsul ali vlaken, ki se aktivirajo ob poškodbi. Število celilnih ciklov pri zunanjih procesih je omejeno z razpoložljivo količino teh celilnih sredstev. Ko so ta sredstva izčrpana, material ne more več samodejno celiti poškodb. Notranji procesi celjenja pa za povezovanje vezi ne potrebujejo zunanjih celilnih sredstev. Namesto tega so odvisni od notranjih lastnosti materiala, ki omogočajo celjenje pod določenimi pogoji. Na primer, določeni polimeri lahko vsebujejo dinamično kovalentne vezi, ki se lahko preurejajo pod vplivom temperature, svetlobe, pH vrednosti ali drugih dražljajev. Ti materiali imajo potencial za večkratno celjenje, saj se proces lahko ponavlja, dokler so prisotni ustrezni pogoji.

Vendar pa vse omenjene strategije, razvite za polimere, ne morejo biti brezhibno vključene v 3D tiskanje. To je pogosta težava pri zunanjih procesih, še posebej pri prisotnosti mikrokapsul. Pri teh se ob poškodbi sproži enkratni avtomatski odziv za popravilo poškodovanega dela. Čeprav je ta mehanizem dragocen za samopopravljive polimere, je lahko neprimeren za 3D tiskane polimere, kjer se lahko mikrokapsule zlomijo med tiskanjem. Zaradi teh razlogov so raziskovalci večinoma uporabljali notranje procese za načrtovanje 3D tiskanih polimerov. Pri tem pristopu, se ob prisotnosti zunanjih dražljajev sosednje dinamične vezi razdružijo in izmenjajo in na tak način ustvarijo nove vezi. Ta postopek je prikazan na sliki 4.1.

 

Slika 4.1: Dinamično povezovanje vezi

 

5               Prihodnost

Mnogi strokovnjaki so že predlagali različne koncepte samopopravljivih polimerov za uporabo v 3D tiskanju, vendar se njihova praktična implementacija zaenkrat omejuje na specifične tehnologije in specializirane aplikacije. Kljub temu pa je obetaven razvoj v tej smeri, saj lahko v prihodnosti pričakujemo še naprednejše samopopravljivne materiale, prilagojene specifičnim potrebam različnih industrij. Trenutne raziskave se osredotočajo na izboljšanje učinkovitosti postopkov celjenja polimerov, ki vključujejo razvoj bolj naprednih metod za aktiviranje samopopravljanja materiala. Hkrati si prizadevajo za povečanje trajnosti polimerov, kar bo omogočilo izdelavo izdelkov z daljšo življenjsko dobo in manj potrebe po popravilih. Samopopravljivi polimeri so pomemben mejnik v tehnologiji materialov, saj ne le izboljšujejo vzdržljivost izdelkov, ampak tudi pripomorejo k boljši uporabi naravnih virov in zmanjšanju odpadkov. Njihova uporaba lahko prispeva k ustvarjanju bolj trajnostnih in zanesljivih izdelkov v različnih panogah, od avtomobilske do medicinske industrije, kjer je zanesljivost materialov ključnega pomena za varnost in učinkovitost končnih izdelkov.

 

6               Viri in literatura

[1]       Andreu, A., Lee, H., Kang, J., Yoon, Y., Self-Healing Materials for 3D Printing.

 Advanced Functional Materials, marec 2024.

[2]       Wikipedia [splet], Dosegljivo: https://en.wikipedia.org/wiki/Fused_filament_fabrication

[Datum dostopa 27. 06. 2024]