Группа исследователей из университета Кейс Вестерн в Кливленде недавно завершила интересную работу над новой группой 3D-печатных материалов, которые смогут найти эффективное применение в различных отраслях промышленности. Исследование проводилось под руководством профессора Ригоберто Эндсикула, так же в нём принимали участие Кьюи Чен и Пенг-Фей Цао из факультета макромолекулярной науки и техники. Научная работа под названием «Механически прочная, ультраэластичная пена с настраиваемыми свойствами, созданная с помощью 3D-печати» была опубликована в журнале «Advanced Functional Materials». Для изготовления сверхэластичной пены учёные использовали аддитивную технологию робокастинг, так же известную как DIW (direct ink writing).

Использование прямой печати из цифровой 3D-модели позволяет создавать сложные структуры с высокой степенью точности, что обеспечивает инженерам достаточный уровень контроля над пористостью как в микро-, так и в макромасштабах. Исследование проводилось с использованием полиуретана, обычного пластика. 3D-печать позволяет контролировать структуру материала на разных уровнях, придавая ему пористость, что приводит к значительному улучшению желаемых свойств. Так же 3D-печать обеспечивает гораздо более высокий уровень сложности с точки зрения окончательной структуры пены по сравнению с методом литья.

Аддитивная технология DIW обеспечивает послойную 3D-печать объекта путём экструзии «чернил» через формующее отверстие головки 3D-принтера. Эта технология имеет преимущества перед обычными методами экструзии FDM, поскольку позволяет печатать с использованием гораздо более широкого спектра материалов. К ним относятся металлы, гидрогели и аэрогели, а также керамика и термопласты.

Чернила, используемые в технике 3D-печати, представляли собой тиксотропный материал, способный разжижаться от механического воздействия и cгущаться в состоянии покоя. Чернила были созданы с помощью простого одностадийного процесса, в котором дуо-наночастицы (нанокластеры и наночастицы кремнезема) были диспергированы в суспензии полиуретана.

Точный контроль вязкости чернил, строение формующего отверстия головки 3D-принтера, параметры печати и сам 3D-дизайн позволили обеспечить высокий уровень контроля над окончательной 3D-печатной структурой. Термопластичный полиуретан (ТПУ) был изготовлен с иерархически пористой структурой. В макромасштабе были построены поры большего размера. На следующем уровне большие микропоры генерировались в результате процесса фазового разделения после печати, когда объект погружался в воду. Наименьшие микропоры были получены путём химического травления.

Полученные пенопластовые структуры ТПУ были легкими и при этом демонстрировали высокую степень механической прочности. Они также отличались беспрецедентной эластичностью, выдерживали более 1000 циклов сжатия, быстро и полностью восстанавливались после нагрузки, превышающей собственный вес в 20 000 раз.

Механические свойства и проводящие характеристики сверхэластичных пенопластов могут быть настроены в зависимости от области применения. В качестве демонстрации небольшая губка из пены была погружена в раствор углеродных нанотрубок (УНТ) в воде. УНТ плотно захватывают поверхность пены ТПУ благодаря силам Ван-дер-Ваальса. После сушки пена была прикреплена к печатной плате и использовалась как высокочувствительный датчик песорезистентности. Это эластичный выключатель питания, сжатие которого включает или выключает цепь.

Новый материал, разработанный учёными университета Кейс Вестерн, может использоваться для создания обуви, удобных сидений в автомобилях, упаковки и даже имплантов тканей и органов.

Источник