een nieuwe, 3D-afdrukbare polymeer nanocomposiet-inkt heeft ongelooflijke eigenschappen - en veel toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, geneeskunde en elektronica.

Werktuigbouwkundige onderzoekers van de Michigan Technological University hebben een manier gevonden om een ​​3D-printbare nanocomposiet-polymeerinkt te maken die koolstofnanobuisjes (CNT's) gebruikt, bekend om hun hoge treksterkte en lichtheid. Deze revolutionaire inkt zou epoxies kunnen vervangen - en begrijpen waarom de eigenschappen zo fantastisch zijn, is een eerste stap in de richting van massaal gebruik.

3d printen, ook wel additieve fabricage genoemd, is veelzijdiger en efficiënter dan gieten. Het voegt een materiaal toe met precisie, vaak in complexe geometrieën, met aanzienlijk minder overmaat om weg te snijden. Het toevoegen van laagdimensionale nanomaterialen zoals CNT's, grafeen, metalen nanodeeltjes en kwantumdots zorgen ervoor dat 3D-geprinte materialen zich kunnen aanpassen aan externe stimuli, waardoor ze functies hebben zoals elektrische en thermische geleiding, magnetisme en elektrochemische opslag.

Maar 3D-printen met plastic, metaal of iets anders is niet nieuw. Wat Tech-onderzoekers anders hebben gedaan, is het gebruik van polymeer nanocomposieten (gemaakt van epoxy, koolstofnanobuisjes en nanoklei) en een printproces dat geen concessies doet aan functionaliteit. De kruising van materiaaltype en morfologie - grootte, vorm, structuur - in polymeer nanocomposiet-inkten is de ultieme vorm-ontmoetingsfunctie.

De verkenning van het proces, morfologie en eigenschappen van polymere inkten is het onderwerp van een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Additieve productie door Parisa Pour Shahid Saeed Abadi, een ingenieur die het raakvlak van materialen verkent, mechanica en geneeskunde, en afgestudeerde student Masoud Kasraie.

Abadi en Kasraie wijzen erop dat voordat onderzoekers met polymere inkten naar de races kunnen sprinten, ze moeten eerst leren lopen. De eerste stap is graven in het snijpunt van de macroschaal (hoe onze ogen een materiaal zien presteren) en de nanoschaal (wat we niet kunnen zien, maar weet dat het gebeurt).

Begrip opbouwen vóór marktaandeel

Terwijl polymere nanocomposieten en 3D-printproducten en -diensten beide een marktwaarde van miljarden dollars hebben, nanomateriaal 3D-printen heeft slechts een marktwaarde van ongeveer $ 43 miljoen, merkte Abadi op.

"Voor nationale welvaart en het ondersteunen van wereldwijd leiderschap in productie, de kloof tussen de echte toepassingen van 3D-printen en nanomaterialen versus nanomateriaal 3D-printen moet worden gedicht, "Zei Abadi. "De kloof bestaat door een gebrek aan controle over nanocomposieteigenschappen in het 3D-printproces, omdat we de relatie proces-morfologie-eigenschap niet volledig begrijpen."

Het knelpunt is het begrijpen van het complexe samenspel tussen de mechanica op macroschaal van 3D-printprocessen en de mechanica en fysica van nanocomposieten op nanoschaal. Het onderzoek van Abadi en Kasraie probeert het knelpunt los te maken door de relatie te onderzoeken tussen procesparameters voor 3D-printen en de morfologie van nanomaterialen in printinkten voor nanocomposiet, wat het belangrijkste maar minst onderzochte stukje van de puzzel is.

De vele voordelen van nanomateriaalinkt

Verder gaan dan de wetenschap van nanocomposietinkt, het materiaal is veelbelovend vanwege de vele functionaliteiten. Een voordeel van 3D-printen is de bijna volledige controle over de vorm van het eindproduct.

De geleidbaarheid van Abadi en Kasraie's nanomateriaalinkt is een uitzonderlijk handige eigenschap die de gedrukte epoxy het potentieel geeft om te verdubbelen als elektrische bedrading - of het nu in een printplaat, de vleugel van een vliegtuig of in 3D-geprinte actuatoren voor het geleiden van katheters in bloedvaten. Een ander nuttig kenmerk van de nanocomposietpolymeerinkt is zijn sterkte.

"In vergelijking met staal en aluminium, we zien 80% gewichtsvermindering met epoxycomposiet met dezelfde sterkte, ' zei Kasraie.

Eindelijk, in de medische sector en de ruimtevaart- en elektronica-industrie, waar defecten en schade grote problemen kunnen opleveren, de nanocomposieten hebben een veiligheidsfunctie.

"Als er iets kapot gaat, een piepklein scheurtje begint bij een microschaaldefect en vordert totdat het de hele structuur breekt, "Zei Abadi. "Nanocomposietelementen maken bruggen in die scheuren en laten de scheuren niet groeien. Dit is een van de mechanismen waarmee koolstofnanobuisjes de mechanische sterkte van het materiaal vergroten."

Eigenschap-gewichtsverhouding, elektrische geleiding, verhoogde sterkte en gebruiksgemak zijn slechts enkele van de vele veelbelovende redenen waarom polymere nanocomposietinkten waarschijnlijk traditionele epoxies zullen vervangen.