3D-печать с использованием света: инновационные «чернила» обеспечивают замкнутый цикл использования материалов
Полимеры, используемые для 3D-печати с помощью света, очень стабильны благодаря своей химической структуре, но их обычно трудно перерабатывать. Исследовательская группа под руководством профессора Евы Бласко, научного сотрудника Института молекулярной системной инженерии и передовых материалов (IMSEAM) Гейдельбергского университета, разработала полимерный материал, который при необходимости можно разобрать на отдельные компоненты. Химический «ключ» заставляет уже напечатанный материал распадаться на молекулярные строительные блоки за считанные секунды. Их можно восстановить и повторно использовать в циклическом производственном процессе.
Среди методов аддитивного производства – то есть 3D-печати – высокоточные световые подходы, такие как цифровая обработка света, выделяются для создания малых и сложных структур. Они используются, например, в персонализированной медицине или в мягкой робототехнике. Эти технологии основаны на жидких «чернилах», которые затвердевают, превращаясь в твердые трехмерные структуры под воздействием света. Обычно они изготавливаются из так называемых термореактивных полимеров, строительные блоки которых прочно и необратимо связаны в постоянную сетчатую структуру. Это делает материалы очень стабильными, но они практически не подлежат переработке и, по мнению ученых, могут стать источником постоянных потоков отходов.
Чтобы сделать 3D-печать с использованием света более экологичной, исследовательская группа из Гейдельберга разработала так называемый метастабильный материал, который можно разложить на отдельные компоненты без ущерба для точности, качества или механической стабильности. В качестве основы для своей работы ученые использовали специальный полимер, реагирующий на химический сигнал. «Длинная молекулярная цепочка удерживается вместе одной заранее определенной точкой разрыва. Как только определенный химический триггер открывает это место, вся цепочка распадается на составляющие части в течение нескольких секунд при комнатной температуре, как ряд домино», — объясняет Йоханнес Маркхарт, аспирант, проводящий исследования в команде Евы Бласко. Заранее определенная точка разрыва работает как замок, который открывается только правильным ключом.
В ходе экспериментов исследовательская группа смогла использовать новый метастабильный материал для создания различных сложных трехмерных структур с деталями в микрометровом масштабе, продемонстрировав тем самым его пригодность в качестве высокоточных «чернил». «Он сочетает в себе высокое качество печати со свойством, которое до сих пор практически отсутствовало в полимерных материалах для 3D-печати: его можно полностью разобрать на отдельные части, не оставляя никаких остатков», — говорит Йоханнес Маркхарт. Затем ученые смогли выделить эти строительные блоки и преобразовать их обратно в полимер. Спектроскопический анализ подтвердил, что химический состав переработанного полимера идентичен составу исходного материала на молекулярном уровне. «При повторном использовании материал демонстрировал те же свойства, что и во время первого процесса печати», — говорит доктор Филипп Майник, который участвовал в исследовании в качестве аспиранта.
«Наш подход показывает, что стабильность и возможность вторичной переработки не обязательно должны быть взаимоисключающими. Мы надеемся, что это проложит путь к подлинной химической цикличности и, таким образом, внесет вклад в более устойчивые производственные процессы», — подчеркивает профессор Бласко, которая вместе со своей группой в IMSEAM и Институте органической химии Гейдельбергского университета проводит исследования на стыке макромолекулярной химии, материаловедения и аддитивного производства.
Полимеры, используемые для 3D-печати с помощью света, очень стабильны благодаря своей химической структуре, но их обычно трудно перерабатывать. Исследовательская группа под руководством профессора Евы Бласко, научного сотрудника Института молекулярной системной инженерии и передовых материалов (IMSEAM) Гейдельбергского университета, разработала полимерный материал, который при необходимости можно разобрать на отдельные компоненты. Химический «ключ» заставляет уже напечатанный материал распадаться на молекулярные строительные блоки за считанные секунды. Их можно восстановить и повторно использовать в циклическом производственном процессе.
Среди методов аддитивного производства – то есть 3D-печати – высокоточные световые подходы, такие как цифровая обработка света, выделяются для создания малых и сложных структур. Они используются, например, в персонализированной медицине или в мягкой робототехнике. Эти технологии основаны на жидких «чернилах», которые затвердевают, превращаясь в твердые трехмерные структуры под воздействием света. Обычно они изготавливаются из так называемых термореактивных полимеров, строительные блоки которых прочно и необратимо связаны в постоянную сетчатую структуру. Это делает материалы очень стабильными, но они практически не подлежат переработке и, по мнению ученых, могут стать источником постоянных потоков отходов.
Чтобы сделать 3D-печать с использованием света более экологичной, исследовательская группа из Гейдельберга разработала так называемый метастабильный материал, который можно разложить на отдельные компоненты без ущерба для точности, качества или механической стабильности. В качестве основы для своей работы ученые использовали специальный полимер, реагирующий на химический сигнал. «Длинная молекулярная цепочка удерживается вместе одной заранее определенной точкой разрыва. Как только определенный химический триггер открывает это место, вся цепочка распадается на составляющие части в течение нескольких секунд при комнатной температуре, как ряд домино», — объясняет Йоханнес Маркхарт, аспирант, проводящий исследования в команде Евы Бласко. Заранее определенная точка разрыва работает как замок, который открывается только правильным ключом.
В ходе экспериментов исследовательская группа смогла использовать новый метастабильный материал для создания различных сложных трехмерных структур с деталями в микрометровом масштабе, продемонстрировав тем самым его пригодность в качестве высокоточных «чернил». «Он сочетает в себе высокое качество печати со свойством, которое до сих пор практически отсутствовало в полимерных материалах для 3D-печати: его можно полностью разобрать на отдельные части, не оставляя никаких остатков», — говорит Йоханнес Маркхарт. Затем ученые смогли выделить эти строительные блоки и преобразовать их обратно в полимер. Спектроскопический анализ подтвердил, что химический состав переработанного полимера идентичен составу исходного материала на молекулярном уровне. «При повторном использовании материал демонстрировал те же свойства, что и во время первого процесса печати», — говорит доктор Филипп Майник, который участвовал в исследовании в качестве аспиранта.
«Наш подход показывает, что стабильность и возможность вторичной переработки не обязательно должны быть взаимоисключающими. Мы надеемся, что это проложит путь к подлинной химической цикличности и, таким образом, внесет вклад в более устойчивые производственные процессы», — подчеркивает профессор Бласко, которая вместе со своей группой в IMSEAM и Институте органической химии Гейдельбергского университета проводит исследования на стыке макромолекулярной химии, материаловедения и аддитивного производства.