Vědci ze Soulské národní univerzity (SNU) vyvinuli nový dvoustupňový proces pro FDM 3D tisk, který dokáže vytvářet díly se specifickými gradientními vlastnostmi materiálu. Uživatelé technologie FDM obvykle nemohou dosáhnout přesné prostorové kontroly nad materiálovým složením, protože trysky FDM nemohou tisknout s více materiálovými vlákny současně. Do překonání této výzvy se pustil tým ze SNU. Jeho řešením je tzv. „digitální materiál“ (DM), vytvářený paradoxně také 3D tiskem, tedy vytvářením filamentu metodou ukládání různých základních materiálů vrstvu po vrstvě. Když je toto vlákno vytlačováno při následném 3D tisku požadovaného produktu, jsou tyto vrstvy materiálu při průchodu tryskou homogenně smíchány. To vytváří požadované přechody funkčního materiálu ve finální části. Podle studie vědců, která byla publikována v časopise Nature, tento proces produkuje díly s významnými rozdíly ve vlastnostech. Například lze mícháním měnit mechanické vlastnosti, elektrickou vodivost i barvu, navíc ve vzájemných kombinacích tak, jak to běžný FDM 3D tisk nedokáže. Této nové metody, nazývané blended FDM (b-FDM), lze přitom dosáhnout s pomocí standardních FDM 3D tiskáren a filamentů, které nabízejí levný a dostupný způsob výroby funkčních gradientních materiálů (FGM). Podle výzkumníků „programování gradientu materiálu s podporou b-FDM může usnadnit bezproblémový vícemateriálový 3D tisk a podporovat robustní spojení mezi různými materiály s mechanicky neviditelnými rozhraními materiálů“. Proces tak „nabízí novou cestu k uvolnění plného potenciálu FGM pro různé inženýrské aplikace“.
Míchání vlastností materiálu b-FDM tiskem
Spojení více materiálů s různými vlastnostmi pomocí 3D tisku do jednoho vlákna umožňuje přesnou kontrolu nad materiálovým složením a distribucí. V rámci práce vědci tiskli vlákno vrstvením 14 vrstev extrudovaného materiálu. Každá z vrstev měla tloušťku 125 μm a obsahovala 2 až 4 3D tiskové linky nebo extrudáty o šířce 440 μm. Suroviny vědci během procesu 3D tisku měnili ručně, přičemž do konečného vlákna kombinovali různé vlastnosti barvy, síly, roztažnosti a vodivosti. Podle týmu Soulské národní univerzity lze tímto způsobem k výrobě DM filamentu použít jakoukoli komerčně dostupnou 3D tiskárnu a materiály FDM. Výsledný filament vytiskli se standardním průměrem 1,75 mm, díky čemuž je i ten kompatibilní se všemi FDM systémy. Ve studii byla DM vlákna 3D tištěna pomocí zařízení Original Prusa i3 MK3S od českého výrobce Prusa Research. Tato FDM tiskárna pracovala s tryskou o průměru 0,4 mm a vstupem suroviny o průměru 1,75 mm. Dobré přilnavosti bylo dosaženo zahřátím 3D tiskového lůžka na 70 ℃ a přepnutím teploty trysky mezi 220 ℃ a 240 ℃. Stejné zařízení bylo poté použito také k následnému 3D tisku s využitím tištěného, tedy DM filamentu. Zde byla tryska nastavena na maximální teplotu 240 ℃, aby byl zajištěn dostatečný přísun a prolnutí materiálu.
3D tiskové díly s gradientními vlastnostmi materiálu
Vědci zahájili testování kombinací vodivého PLA (CPLA) s měkkým a flexibilním termoplastickým polyuretanem (TPU). CPLA je tuhý a křehký materiál, který je elektricky vodivý díky přítomnosti nanočástic sazí (CB). Kombinací těchto dvou materiálů metodou b-FDM se týmu podařilo vytisknout 3D díly, které byly flexibilní a schopné vést elektřinu. Po testování různých složení materiálů zvýšily frakční deformaci až o 168 %, přičemž elektrická vodivost zůstala zachována při deformacích až 69 %. Potenciální aplikace pro toto vlákno DM zahrnují roztažitelné snímací aplikace a nositelnou elektroniku. Tým také zdůraznil, že b-FDM může v rámci 3D tištěných dílů vytvářet různé barevné přechody. DM filamenty jako takové nabízejí cenově výhodná řešení pro vytváření širokého barevného spektra pouze s několika standardními filamenty. Ve studii bylo jedno DM vlákno složené ze čtyř základních materiálů použito k 3D tisku objektu s 36 různými barvami. K demonstraci možností metody b-FDM vědci vytiskli také multifunkční skládací origami chapadlo 3D obsahující tuhé fasety, měkké panty a integrované elektrické součásti včetně ohybových a hmatových senzorů. Celé zařízení bylo vyrobeno v jedné 3D tiskové úloze s použitím jediného DM filamentu. B-FDM 3D tištěné origami chapadlo následně úspěšně uchopovalo předměty bez mechanických poruch, zatímco obdobné chapadlo zhotovené konvenčním FDM 3D tiskem vykazovalo silnou delaminaci v místech vrstev různých filamentů. Podle výzkumníků tyto výsledky zdůrazňují schopnost b-FDM tisku efektivně začlenit širokou škálu požadovaných funkcí do inženýrských systémů prostřednictvím návrhů materiálových gradientů. Věří, že metoda b-FDM poslouží jako výkonný doplněk stávajících, komerčně dostupných 3D tiskáren FDM, a doufají, že by tento proces mohl posunout „hranice toho, co je v 3D tisku dosažitelné“.
Vývoj 3D tisku z více materiálů
3D tisk z více materiálů je rostoucí oblastí napříč průmyslem. Metodologie b-FDM týmu Soul National University je v rámci FDM prostoru jedinečná. Většina FDM 3D tiskáren vytlačuje různá vlákna odděleně a neumí tak kombinovat různé vlastnosti do jediné suroviny. O míchání různých pryskyřičných materiálů za účelem dosažení specifických vlastností je zájem i v dalších vědeckých skupinách. Kupříkladu tým z University of Colorado Boulder nedávno provedl jednu takovou studii a vyvinul „pantone pro vlastnosti materiálů“. Jeho zjištění naznačují, jak lze dosáhnout opakovatelných vlastností 3D tisku smícháním tří „primárních“ materiálů: měkkého elastomeru, tuhého plastu a kapalných složek. K návrhu stovek vzorků digitálních kompozitních materiálů přitom vědci vyvinuli vlastní software. Mechanické vlastnosti 3D tištěných vzorků poté testovali, charakterizovali a zmapovali. To v konečném důsledku umožní uživatelům najít perfektní směs materiálů pro dosažení požadovaných vlastností jejich 3D tištěného dílu. A výzkumníci z MIT Media Lab, Wyss Institutu při Harvardské univerzitě a z Dana-Farber Cancer Institute použili multimateriálový inkoustový 3D tisk k výrobě hybridních živých materiálů (HLM — hybrid living material). Společný tým vytvořil přizpůsobené receptury materiálů pro kombinaci pryskyřic a chemických „signálů“, které mohou aktivovat určité reakce v biologicky upravených mikrobech. To nabízí potenciál pro výrobu 3D tištěných lékařských zařízení s terapeutickými činidly. /Hana Kovářová/
