Vokiškieji chemikai sukūrė polimerą 3D spausdinimui stiklo gaminiams • Arkadijus Kuramshinas • "Science News" "Elementai" • Technologijos, chemija

Vokiečiai chemikai sukūrė polimerą, skirtą 3D spausdinti stiklo gaminius.

Pav. 1. Spausdintas su nauju "stiklo rašalu" stiklo ant stiklo. Ploniausia šios dalies dalis yra 2 milimetrai, "keramzelio" ilgis yra 2,5 cm, o ne kiekvienas profesionalus stiklo valytuvas pirmą kartą galės pagaminti tokį "kepyklą". Nuotraukos iš cen.acs.org

Karlsrūhės technologijos instituto chemikai sukūrė "rašalą", skirtą 3D spausdintuvui, kuris leidžia spausdinti iš švaraus ir permatomo kvarco stiklo pagamintus produktus, kurių gama yra dešimtys mikrometrų. Naujos technologijos leis gaminti kvarcinius laboratorinius mikroprocesorius ir optinių grandinių elementus, taip pat sukurti individualius ir unikalius stiklo gaminius, kuriuos sunku arba net neįmanoma gaminti naudojant įprastą stiklo išpūtimo technologiją.

3D spausdintuvas naudoja realaus objekto sluoksnio sluoksnio konstrukciją iš jo skaitmeninio trimačio modelio. Trimatės spausdinimo technologija, kuri pasirodė 2010-aisiais, greitai įgijo populiarumą, tačiau iki šiol naudojant 3D spausdintuvus buvo įmanoma įsigyti aukštos kokybės objektų tik iš polimerų, keramikos ir metalų,Nors stiklas taip pat yra labai naudinga ir reikalaujama medžiaga: tai geras izoliatorius, skaidrus, atsparus daugelio cheminių medžiagų poveikiui ir temperatūrai.

Tiesa, stiklą sunku apdoroti, net jei nekalbame apie trimačio spausdinimo procesus. Taigi, daugelyje technologijų būtina, kad produktas būtų cheminiu būdu apdorojamas arba mechaniškai šlifuojamas. Dėl sunkumų, susijusių su stiklo apdirbimu, daugelis mobiliųjų įrenginių gamintojų linkę gaminti optinius mobiliųjų telefonų fotoaparatų elementus iš polimerų, nors jų optinės savybės yra gerokai prastesnės už stiklą: pavyzdžiui, polimerų gaminiai (skirtingai nuo stiklo) pakeičia jų struktūrą, todėl polimerinių lęšių drumstas.

Pagrindinė užduotis dirbant su stiklu yra tai, kad norint ją sušvelninti į būseną, kurioje būtų galima pakeisti jo formą, būtina ją šildyti iki mažiausiai 1000 ° C temperatūros. Anksčiau buvo bandoma atlikti trimačio stiklo gaminių spausdinimą, tačiau tiekimas į įrenginio darbo vienetus trimačiam stiklo pluošto arba silicio oksido dalelių spausdinimui su tolesniu sukepimu, nors buvo įmanoma gaminti stiklo dalis,tačiau jų sluoksnio sluoksnio skiriamoji geba buvo milimetrai, jų paviršius buvo grubus, o tai aiškiai neleido naudoti trimačio spausdinimo technikos optinių grandinių komponentų gamybai.

Siekiant pagerinti trijų matmenų stiklo produktų spausdinimo tikslumą, polimerų chemijos specialistai iš Karlsrūhio technologijos instituto, vadovaujama Bastian Rapp, sukūrė ir pagamino kompozicinę medžiagą, kurią galima pavadinti "skystu stiklu". Kompozitai su panašiomis kompozicijomis jau buvo panaudoti mokslininkams iš Karlsrūhės stiklo objektų gamybai liejant. Tai yra 40 nm skersmens silicio oksido nanodalelių mišinys, disperguotas hidroksietilmetakrilatu (hidroksietilmetakrilatas). Hidroksietilmetakrilatas yra monomeras, kuris ultravioletinės spinduliuotės poveikiu reaguoja į polimerizaciją, susidaro kietas polimeras (2 pav.).

Pav. 2 Hidroksietilmetakrilato polimerizavimas. Paveikslas Arkadijus Kuramshina

Kaip trimatės spausdinimo metodą pasirinkta lazerinė sterilizacija: trimatis objektas, sumontuotas kompiuteryje, yra išaugintas iš skystos kompozicijos, nuosekliai plonais sluoksniais grūdinantys per cheminę reakciją.Norint pritaikyti "stiklinių rašalėlių" sudėtį 3D spausdinimui, mokslininkai turėjo pašalinti iš jų tirpiklį, kuris netrukdo gaminti stiklo objektus liejant, tačiau metodais, pagrįstais cheminės reakcijos valdymu naudojant spinduliuotę, sumažėja fotopolimerizacijos efektyvumas. Hidroksietilmetakrilatas, dalis stiklo rašalo, taip pat buvo praskiestas jo trimerizacijos produktais. Įvadas į kompozicinių medžiagų su dideliu molekuliniu svoriu sudėtį padidino jo klampumą ir suteikė jam galimybę tekėti iš 3D spausdintuvo darbo elementų su greitu, kuris yra optimalus norimų storų sluoksnių formavimui.

Pav. 3 Kitas stiklo gabalas, pagamintas naudojant naujo "rašalo" trimatį spausdinimo įrenginį. Nuotraukoje parodyta, kad ant 3D spausdintuvo išspausdintas stiklo komponentas nesikeičia, kai jis liečiasi su 800 ° C temperatūros degikliu. Nuotraukos iš diskusijos straipsnio Gamta

Kadangi pagrindinė spausdinimo medžiagos sudedamoji dalis yra hidroksietilmetakrilato monomerų ir trimerų mišinys (maždaug 60% masės), pirminis gaminio liejimas, naudojant 3D spausdintuvą, atliekamas tiksliai taip pat, kaip polimerinių produktų trimatis spausdinimas.Gauti stiklo elementą, objektas, gaunamas kaip spausdinimo rezultatas yra termiškai dvejopas: pirmasis reikia įrašyti polimerą, o antrasis, kuris yra atliekamas esant 1300 ° C, – sukepinimo iš silicio dioksido nanodalelių. Kaip rezultatas, visi gryno produkto operacijos yra gautas ir skaidrus kvarco stiklo.

Su nauja technologija, mokslininkai paskelbė stiklo objektus serija: iš mikrolęšiais sistemą, stiklo plokštės, viduje kuriame kanalus mikrometro skersmens ir, žinoma, Karlsrūhės technologijų instituto logotipą (4 pav). Spausdinimas raiška buvo dešimčių mikrometrų, bet Rapp tvirtina, kad "rašalu" su daugiau tiksliai 3D-spausdintuvo naudojimas leis pasiekti bent iš 150-500 nm bangų ilgio spausdinimo raiška, tik kelis kartus didesnis nei dydžio esančio photocurable sudėties silicio oksido nanodalelių.

Pav. 4 Pavyzdys išspausdintas su nauju trimatis struktūros medžiagos: logo Karlsruhe Institute of Technology. Nuotraukos iš diskusijos straipsnio Gamta

Skaidrumas spausdintų gaminiams, pagamintiems iš kvarcinio stiklo yra toks didelis, kad sukūrė technologiją, gali žymiai supaprastinti fotoninių kristalų gamybą.Fotoniniai kristalai yra nanostruktūros su periodiškai skirtingomis optinėmis savybėmis. Jie naudojami lazerio technologijose, optiniuose bangolaidžiuose, taip pat perspektyvioms optinių kompiuterių kūrimui. Naujas stiklo spausdinimo būdas taip pat gali būti naudingas stiklo mikrokapilario reaktorių, naudojamų laboratorijose, siekiant sukurti organinių medžiagų, įskaitant tas, kurios turi farmakologinį aktyvumą, nuolatinio srauto sintezę kūrimą. Šiuo metu naudojami šio tipo metalų ir polimerų reaktoriai yra nenaudingi, kai reakcijos vyksta esant aukštam slėgiui ar temperatūrai.

Šiuo metu Rapp ir jo kolegos kuria "stiklo rašalo" sudėties keitimą, kad būtų galima spausdinti ne tik kvarcinio stiklo, bet ir kitų jo formų, ypač iš kulkšnies, gaminius.

Šaltinis: Frederikas Kotzas, Karlas Arnoldas, Werneris Baueris, Dieteris Schildas, Niko Kelleris, Kai Sachsenheimeris, Tobiasas Nargangas, Christianas Richteris, Dorothea Helmeris ir Bastianas Rapsas. Silikagelio stiklo trimatis spausdinimas Gamta. 2017. V. 544. P. 337-339. DOI: 10.1038 / nature22061.

Arkadijus Kuramshinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: