Gebruikers in staat stellen objecten te maken, van eenvoudig speelgoed tot op maat gemaakte protheseonderdelen, kunststoffen zijn een populair 3D-printmateriaal. Maar deze geprinte onderdelen zijn mechanisch zwak - een fout die wordt veroorzaakt door de onvolmaakte hechting tussen de afzonderlijke geprinte lagen waaruit het 3D-onderdeel bestaat.

Onderzoekers van de Texas A&M University, in samenwerking met wetenschappers van het bedrijf Essentium, hebben nu de technologie ontwikkeld die nodig is om de 'zwakke plek' van 3D-printen te overwinnen. Door plasmawetenschap en koolstofnanobuistechnologie te integreren in standaard 3D-printen, de onderzoekers hebben aangrenzende gedrukte lagen effectiever gelast, het verhogen van de algehele betrouwbaarheid van het laatste onderdeel.

"Het vinden van een manier om de ontoereikende hechting tussen geprinte lagen te verhelpen, is een voortdurende zoektocht geweest op het gebied van 3D-printen, " zei Micha Groen, universitair hoofddocent bij de Artie McFerrin-afdeling Chemische Technologie. "We hebben nu een geavanceerde technologie ontwikkeld die het lassen tussen deze lagen kan versterken terwijl het 3D-onderdeel wordt geprint."

Hun bevindingen werden gepubliceerd in het februarinummer van het tijdschrift Nano-letters .

Kunststoffen worden vaak gebruikt voor extrusie 3D-printen, technisch bekend als fused-deposition-modellering. Bij deze techniek, gesmolten plastic wordt uit een nozzle geperst die onderdelen laag voor laag bedrukt. Terwijl de bedrukte lagen afkoelen, ze versmelten met elkaar om het laatste 3D-deel te creëren.

Echter, studies tonen aan dat deze lagen niet perfect aansluiten; bedrukte onderdelen zijn zwakker dan identieke onderdelen die door spuitgieten zijn gemaakt, waarbij gesmolten kunststoffen bij afkoeling gewoon de vorm aannemen van een vooraf ingestelde mal. Om deze interfaces grondiger te verbinden, extra verwarming nodig is, maar het verwarmen van geprinte onderdelen met iets dat lijkt op een oven heeft een groot nadeel.

"Als je iets in een oven doet, het gaat alles opwarmen, zodat een 3D-geprint onderdeel kan kromtrekken en smelten, verliest zijn vorm, " zei Green. "Wat we echt nodig hadden, was een manier om alleen de interfaces tussen de afgedrukte lagen te verwarmen en niet het hele onderdeel."

Om de hechting tussen de lagen te bevorderen, het team wendde zich tot koolstofnanobuisjes. Omdat deze koolstofdeeltjes opwarmen als reactie op elektrische stromen, de onderzoekers bedekten het oppervlak van elke gedrukte laag met deze nanomaterialen. Vergelijkbaar met het verwarmingseffect van microgolven op voedsel, het team ontdekte dat deze coatings van koolstofnanobuisjes kunnen worden verwarmd met behulp van elektrische stromen, waardoor de afgedrukte lagen aan elkaar kunnen hechten.

Om elektriciteit toe te passen terwijl het object wordt afgedrukt, de stromen moeten een kleine luchtruimte tussen de printkop en het 3D-deel overwinnen. Een optie om deze luchtspleet te overbruggen is het gebruik van metalen elektroden die het geprinte deel direct raken, maar Green zei dat dit contact onbedoelde schade aan het onderdeel kan veroorzaken.

Het team werkte samen met David Staack, universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde van J. Mike Walker '66, om een ​​bundel geladen luchtdeeltjes te genereren, of plasma, die een elektrische lading naar het oppervlak van het geprinte deel kunnen brengen. Met deze techniek konden elektrische stromen door het gedrukte deel gaan, de nanobuisjes verhitten en de lagen aan elkaar lassen.

Met de plasmatechnologie en het met koolstof nanobuis gecoate thermoplastische materiaal op zijn plaats, Onderzoekers van Texas A&M en Essentium hebben beide componenten toegevoegd aan conventionele 3D-printers. Toen de onderzoekers de sterkte van 3D-geprinte onderdelen testten met hun nieuwe technologie, ze ontdekten dat hun sterkte vergelijkbaar was met spuitgegoten onderdelen.

"De heilige graal van 3D-printen is geweest om de sterkte van het 3D-geprinte onderdeel te laten overeenkomen met die van een gegoten onderdeel, " Green zei. "In deze studie, we hebben met succes gelokaliseerde verwarming gebruikt om 3D-geprinte onderdelen te versterken, zodat hun mechanische eigenschappen nu wedijveren met die van gegoten onderdelen. Met onze technologie, gebruikers kunnen nu een aangepast onderdeel afdrukken, zoals een op maat gemaakte prothese, en dit warmtebehandelde onderdeel zal veel sterker zijn dan voorheen."