A német kémikusok polimert hoztak létre az üvegtermékek 3D-s nyomtatásához • Arkady Kuramshin • Tudományos hírek a "Elemekről" • Technológiák, kémia

A német kémikusok polimert hoztak létre az üvegtermékek 3D-s nyomtatásához.

Ábra. 1. Nyomtatott új "üveg tinta" pretzel üveg. Ennek a résznek a legvékonyabb része 2 mm, a "pretzella" hossza 2,5 cm, és nem minden profi üvegblokk először készít ilyen "péksüteményt". Fotók a cen.acs.org-ból

A Karlsruhe Technológiai Intézet kémikusai kifejlesztettek egy "tintát" egy 3D nyomtatóhoz, amely tiszta és átlátszó kvarcüvegből készült termékeket tesz lehetővé tízméteres felbontással. Az új technológia lehetővé teszi a kvarc laboratóriumi mikroáru gyártását és az optikai áramkörök elemeit, valamint egyedi és egyedi üvegtermékeket hoznak létre, amelyek nehéz vagy akár lehetetlen gyártani hagyományos üvegfúvó technológiával.

A 3D-s nyomtató a digitális háromdimenziós modellből származó valós objektum rétegenként történő felépítésének módját használja. A 2010-es években megjelenő háromdimenziós nyomtatás technológiája hamar népszerűvé vált, de a 3D-s nyomtatók használatáig csak polimerekből, kerámiából és fémekből lehetett jó minőségű tárgyakat beszerezni,Bár az üveg egy nagyon hasznos és követelt anyag is: jó szigetelő, átlátszó, ellenáll számos vegyi anyagnak és hőmérsékletnek.

Igaz, az üveg nehezen feldolgozható, még akkor is, ha nem a háromdimenziós nyomtatási folyamatokról beszélünk. Ezért a legtöbb technológiában szükség van a termék kémiai kezelésére vagy mechanikus polírozására. Az üvegfeldolgozás nehézségei miatt sok mobileszköz-gyártó előnyben részesítik a polimerekből származó mobiltelefon-kamerák optikai elemeit, bár az optikai tulajdonságokkal szemben jóval alacsonyabbak az üvegek: pl. A polimerekből készült termékek (az üvegtől eltérően) megváltoztatják szerkezetüket, ami polimer lencsék homályosodása.

Az üveggel való munka legfőbb problémája az, hogy annak érdekében, hogy lágyítsa azt olyan állapotba, amelyben formáját megváltoztathatják, legalább 1000 ° C hőmérsékletre kell melegíteni. Korábbi kísérleteket tettek az üvegtermékek háromdimenziós nyomtatására, de az eszköz munkagépei számára az üvegszálak vagy szilikon-oxid részecskék háromdimenziós nyomtatásához való későbbi szintereléssel történő ellátás, bár lehetett üvegrészek előállítása,de rétegenként rétegbeli felbontása milliméter volt, felületük durva volt, ami egyértelműen lehetetlenné tette a háromdimenziós nyomtatási technika alkalmazását optikai áramkörök gyártásához.

Az üvegtermékek háromdimenziós nyomtatásának pontosságának növelése érdekében a Karlsruhe Technológiai Intézet polimerek kémiai szakemberei a Bastian Rapp irányítása alatt kifejlesztettek és gyártottak egy kompozit anyagot, amelyet "folyékony üveg" -nek nevezhetünk. A hasonló összetételű kompozitokat már a karlsruhei kutatók használják üveg tárgyak öntéssel történő gyártásához. 40 nm átmérőjű szilikon-oxid nanorészecskék keveréke, hidroxietil-metakrilátban (hidroxietil-metakrilát) diszpergálva. A hidroxi-etil-metakrilát olyan monomer, amely az ultraibolya sugárzás hatására polimerizációra reagál és szilárd polimert képez (2.

Ábra. 2. Hidroxi-etil-metakrilát polimerizációja. Ábra Arkady Kuramshina

A lézeres sztereolitográfiát háromdimenziós nyomtatás módjaként választották ki: egy számítógépen előre előállított háromdimenziós objektumot egy folyékony kompozícióból kémiai reakció során egymást követő vékony rétegek keményítésével termesztenek.Annak érdekében, hogy a 3D-s nyomtatáshoz "üvegfestékük" összetételét hozzáigazítsák, a kutatóknak egy oldószert kellett eltávolítaniuk, amely nem befolyásolja az üveg tárgyak öntéssel történő előállítását, hanem a kémiai reakció visszaszorításán alapuló eljárásokban csökkenti a fotopolimerizáció hatékonyságát. Az üvegfesték részét képező hidroxietil-metakrilátot a trimerizáció termékeivel is hígítottuk. A nagy molekulatömegű kompozit anyagok összetételének bemutatása megnövelte a viszkozitását, és lehetőséget adott arra, hogy a kívánt vastagságú rétegek kialakításának optimális sebességével egy 3D nyomtató működési elemeiből kifolyjon.

Ábra. 3. Egy másik üveg, amelyet az új "tinta" háromdimenziós nyomtatási eszközével készítettek. A képen látható, hogy a 3D nyomtatóra nyomtatott üvegkomponens nem bukik össze, ha égési lángnak van kitéve 800 ° C-os hőmérsékleten. Képek a tárgyalt cikkből természet

Mivel a nyomtatáshoz használt anyag fő összetevője a hidroxi-etil-metakrilát monomerek és trimerjeinek keveréke (kb. 60 tömeg%), a termék 3D formátumú nyomtató általi első formázása pontosan ugyanúgy történik, mint a polimer termékek háromdimenziós nyomása.Az üveg rész megszerzéséhez a nyomtatás eredményeképpen kapott tárgyat kettős melegítésnek vetik alá: az első a polimer égetéséhez szükséges, a második pedig 1300 ° C-on, szilícium-oxid nanorészecskék szinterelésére. Az összes művelet eredményeként a termék tiszta és átlátszó kvarcüvegből készül.

Az új technológia segítségével a tudósok számos üvegtárgyat kinyomtattak: egy mikro-lencsékből álló rendszert, egy üveglapot, amelyen mikrométer átmérőjű csatornák vannak, és természetesen a Karlsruhe Technológiai Intézet logója (4. A nyomtatási felbontás tíz mikrométer volt, azonban a Rapp azt állítja, hogy ugyanazt a "tintát" használva egy pontosabb 3D-s nyomtatóval 150-500 nm-es felbontást eredményezhet, ami csak néhányszor nagyobb, mint a fotopolimerizálható kompozícióban lévő szilikon nanorészecskék nagysága.

Ábra. 4. Példa egy háromdimenziós szerkezetre, amelyet az új anyaggal nyomtattak ki: a Karlsruhe Technológiai Intézet logóját. Képek a tárgyalt cikkből természet

A kvarcüvegből készült nyomtatott termékek átlátszósága olyan magas, hogy a fejlett technológia jelentősen leegyszerűsíti a fotonikus kristályok gyártását.A fotonikus kristályok nanostruktúrák, amelyek időszakosan változó optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Lézertechnikában, optikai hullámvezetőkben használják, és ígéretes optikai számítógépek létrehozására is. Az üvegnyomás új módszere hasznos lehet a laboratóriumokban használt üveg mikrokapilláris reaktorok létrehozására szerves anyagok, beleértve azok farmakológiai aktivitását is, folyamatos áramlási szintéziséhez. Az ilyen típusú fémek és polimerek jelenleg használt reaktorai használhatatlanok, ha a reakciókat nagy nyomáson vagy hőmérsékleten hajtják végre.

Jelenleg Rapp és munkatársai az "üveg tinta" összetételének megváltoztatásán dolgoznak annak érdekében, hogy képesek legyenek kinyitni a termékeket nem csak a kvarcüvegről, hanem más formáiból is, különösen a golyóállóságtól.

Forrás: Frederik Kotz, Karl Arnold, Werner Bauer, Dieter Schild, Nico Keller, Kai Sachsenheimer, Tobias M. Nargang, Christiane Richter, Dorothea Helmer és Bastian E. Rapp. Szilícium-üveg háromdimenziós nyomtatás természet. 2017. V. 544. P. 337-339. DOI: 10.1038 / nature22061.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: