ORNL разрабатывает уникальное полимерное связующее, из которого можно 3D-печатать детали с "исключительной прочностью".

Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) объявили о разработке нового водорастворимого пластикового связующего, которое можно добавлять в материалы для 3D-печати и формовать из него детали с "исключительной прочностью". 

Настроив полиэтиленимин (PEI) с высоким содержанием амина и низким молекулярным весом, команда ORNL смогла изменить его свойства таким образом, что его прочность удвоилась по сравнению с обычными связующими. Чтобы продемонстрировать возможности своего нового материала, ученые уже использовали его для связывания и укрепления кварцевого песка, а затем напечатали на 3D-принтере мост, способный выдержать в 300 раз больше собственного веса. 

"Немногие полимеры подходят для использования в качестве связующего материала в таких условиях", - говорит Томонори Сайто, один из ведущих исследователей проекта. "Мы искали особые свойства, такие как растворимость, которые позволили бы нам получить наилучший результат. Наша главная находка заключалась в уникальной молекулярной структуре нашего связующего PEI, благодаря которой он вступает в реакцию с цианакрилатом для достижения исключительной прочности".

Ученый ORNL Томонори Саито демонстрирует песочный замок, 3D напечатанный с использованием нового связующего. 

Фотография предоставлена ORNL.

Инструментальный потенциал струйной печати на связующем 

По мнению команды ORNL, струйная обработка связующего "дешевле и быстрее, чем другие методы 3D-печати, используемые в промышленности", благодаря широкой совместимости с порошками и масштабируемости рабочего процесса. В частности, исследователи считают, что способность технологии обрабатывать недорогой песок идеально подходит для высокопроизводительного производства промышленных инструментов и штампов. 

Тем не менее, ученые также считают механическую слабость деталей, изготовленных с использованием струи зеленого связующего, "основным узким местом", которое препятствует их широкому внедрению в этой области. Когда дело доходит до армирования таких деталей, связующие являются жизненно важным элементом используемых материалов, определяющим их прочность, но их состав часто характеризуется ограниченным взаимодействием между полимером и песком, что снижает их стойкость. 

"Чтобы обеспечить точность при изготовлении деталей, необходим материал, который не меняет форму в процессе работы, поэтому кварцевый песок оказался перспективным", - объясняет студент Университета Теннесси и ведущий автор исследования Дастин Гилмер. "Проблема заключается в том, чтобы преодолеть структурную слабость деталей из песка".

Что касается существующих 3D-печатных форм для литья песка, то, по словам команды, они имеют ограниченное промышленное применение, поскольку после воздействия на них тепла и давления они могут сломаться. Чтобы обеспечить производство более надежных, масштабируемых, готовых к конечному использованию деталей, отлитых из связующего, исследователи ORNL определили необходимость в материале, который лучше сплавляет связующие и порошки вместе. 

Экспериментальный рабочий процесс струйной обработки связующего материала, разработанный группой ORNL.

Экспериментальный процесс струйной обработки связующего материала, разработанный группой исследователей ORNL. Изображение из журнала Nature Communications.

Новое связующее вещество на рынке? 

Чтобы обойти недостатки обычных связующих, ученые создали свой связующий материал из "гиперразветвленного" PEI с большим количеством аминов углерода и азота, которые позволяют ему достигать сильных межфазных взаимодействий. Структура материала также была разработана таким образом, чтобы обеспечить ему низкую вязкость, высокую растворимость и ограниченную кристалличность, что делает его идеальным для пьезоэлектрической струйной подачи связующего по требованию.

Интересно, что, экспериментируя с загрузкой PEI в связующее, команда говорит, что им удалось оптимизировать его пригодность к печати и добиться "почти линейного увеличения прочности зеленых деталей". В процессе создания прототипов исследователи обнаружили, что печать деталей с 5,5% концентрацией PEI обеспечивает прочность 6,28 МПа, что значительно выше 3,60 МПа, которых они смогли достичь с помощью коммерческих связующих. 

Из-за пористости, присущей деталям, напечатанным на связующем, команда также обнаружила, что смогла увеличить прочность песчаных компонентов за счет добавления вторичного полимера. Например, добавив этилцианоакрилат (ЭЦА), ученые смогли создать материал, который можно было напечатать на 3D-принтере в виде моста размером 6,5 см с прочностью на изгиб 53 МПа, что делает его более прочным, чем кирпич и цемент. 

В качестве дополнительного преимущества, это связующее с добавлением ЭКА оказалось также водорастворимым, поэтому его создатели утверждают, что оно может найти широкое применение в "промывочной оснастке". В частности, команда ожидает, что такие устройства будут иметь значительный потенциал для создания оптимизированных воздуховодов и сэндвич-панелей в аэрокосмической и оборонной промышленности - вертикали, которая, по их прогнозам, вырастет до 7 миллиардов долларов к 2025 году. 

В целом, Гилмер утверждает, что созданный командой ORNL высокопрочный полимерно-песчаный композит эффективно "повышает сложность деталей, которые могут быть изготовлены с помощью струйной обработки связующего", и позволяет производить сложные полые формы, что "расширяет область применения [технологии] для производства, оснастки и строительства".

С момента появления связующего вещества оно получило награду R&D 100 Award и было лицензировано компанией ExOne, где оно продолжает использоваться в исследовательских целях. 

Песчаный мост из связующего под давлением 53 МПа, созданный учеными ORNL. 

Созданный учеными ORNL мост из связующего песка с прочностью 53 МПа. Фотография предоставлена ORNL.

Продвижение производства струйных связующих

Возможно, рынок струйной печати на связующем был консолидирован приобретением компанией Desktop Metal компании ExOne в начале этого года, но технология продолжает развиваться и в других областях, причем только за последний год было достигнуто несколько успехов. 

Компания Voxeljet, например, объявила о том, что она использует свой опыт в области струйной печати на связующем при создании крупнейшего в мире 3D-принтера для ветряных турбин. Новая система создается специально для печати форм, необходимых для отливки крупноформатных деталей для морских турбин Haliade-X компании GE, которые могут весить колоссальные 60 тонн каждая. 

GE Additive, тем временем, продолжает развивать свою собственную систему струйной печати на связующем H2, и в прошлом году компания объявила о сотрудничестве с Корпорацией экономического развития Индианы (IEDC). В рамках сделки организации договорились о совместном инвестировании в НИОКР технологии и раскрытии ее потенциала для автоматизации заводов региона, а также повышения готовности производства. 

В меньшем масштабе британская компания Meta Additive также добилась успехов в разработке своей запатентованной технологии струйного нанесения связующего. В декабре 2020 года компания получила грант Innovate UK в размере 1,2 миллиона фунтов стерлингов для финансирования исследований и разработок своего высокоплотного, малоусадочного процесса, и теперь стартап имеет амбиции по его маркетингу среди клиентов автомобильной, аэрокосмической и медицинской промышленности. 

Результаты исследования подробно изложены в статье "Аддитивное производство прочных структур из кварцевого песка с использованием полиэтилениминового связующего", соавторами которой являются Дастин Б. Гилмер, Лу Хань, Мишель Л. Леманн, Дерек Х. Сиддел, Гуан Ян, Ажад У. Чоудхури, Бенджамин Даути, Эми М. Эллиотт и Томонори Сайто.