Ученые создали метод «выращивания» металлов вместо 3D-печати, и он в 20 раз прочнее

Большой железный гироид (1,3 x 1,0 см). Автор: ALCHEMY EPFL CC BY SA

Фотополимеризация в ванне — это тип 3D-печати, при котором светочувствительную жидкую смолу заливают в контейнер, а затем с помощью лазера или ультрафиолетового света отверждают определенные области для создания формы. Однако, поскольку этот метод работает только со светочувствительными полимерами, его практическое применение ограничено.

Некоторые исследователи разработали методы превращения этих напечатанных полимеров в более прочные материалы, такие как металлы и керамика, но Дэрил Йи, руководитель Лаборатории химии материалов и производства в Школе инженерии EPFL, утверждает, что у этих подходов есть серьезные недостатки.

«Эти материалы, как правило, пористые, что значительно снижает их прочность, а детали подвержены чрезмерной усадке, что вызывает деформацию», — говорит он.

Чтобы решить эти проблемы, Йи и его команда представили новый подход, описанный в их статье, опубликованной в журнале Advanced Materials. Вместо отверждения смолы, уже смешанной с металлическими соединениями, исследователи сначала печатают на 3D-принтере каркас с использованием простого водного геля, известного как гидрогель. Затем они пропитывают эту «заготовку» солями металлов, которые химически преобразуются в крошечные металлосодержащие наночастицы, распределяющиеся по всему гелю. Повторение этого процесса несколько раз позволяет им создавать композиты с очень высоким содержанием металла.

После 5–10 таких «циклов роста» оставшийся гидрогель удаляется с помощью нагрева, оставляя после себя плотный металлический или керамический объект, точно соответствующий форме исходной напечатанной гелевой структуры. Поскольку соли металлов добавляются только после печати, один и тот же гидрогелевый шаблон можно использовать для изготовления различных металлов, керамик или композиционных материалов.

«Наша работа не только позволяет изготавливать высококачественные металлы и керамику с помощью доступного, недорогого процесса 3D-печати; она также демонстрирует новую парадигму в аддитивном производстве, где выбор материала происходит после 3D-печати, а не до нее», — резюмирует Йи.

Создание сложных 3D-архитектур

Для своего исследования команда изготовила сложные математические решетчатые структуры, называемые гироидами, из железа, серебра и меди, продемонстрировав способность их техники создавать прочные, но сложные структуры. Чтобы проверить прочность своих материалов, они использовали устройство, называемое универсальной испытательной машиной, для оказания возрастающего давления на гироиды.

«Наши материалы выдерживали давление в 20 раз большее по сравнению с материалами, произведенными предыдущими методами, демонстрируя при этом усадку всего 20% против 60–90%», — говорит аспирант и первый автор статьи Имин Цзи.

Ученые заявляют, что их техника особенно интересна для создания передовых 3D-архитектур, которые должны быть одновременно прочными, легкими и сложными, например, датчиков, биомедицинских устройств или устройств для преобразования и хранения энергии. Например, металлические катализаторы необходимы для реакций, преобразующих химическую энергию в электричество. Другие применения могут включать металлы с развитой поверхностью и улучшенными охлаждающими свойствами для энергетических технологий.

В перспективе команда работает над улучшением своего процесса для облегчения внедрения в промышленность, в частности, за счет дальнейшего увеличения плотности своих материалов. Другая цель — скорость: повторяющиеся этапы пропитки, хотя и необходимы для производства более прочных материалов, делают метод более трудоемким по сравнению с другими методами 3D-печати для преобразования полимеров в металлы.

«Мы уже работаем над сокращением общего времени обработки, используя робота для автоматизации этих этапов», — говорит Йи.

Исследование открывает путь к созданию более надежных и сложных металлических компонентов для различных отраслей, от медицины до энергетики, используя принципиально новый подход к аддитивным технологиям.