MIT dezvoltă un nou material de imprimare 3D pe bază de plante, care este „dure ca osul și dur ca aluminiul”

The MIT team

Cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) au venit cu un nou compozit imprimabil 3D, derivat din plante, care ar putea deschide calea pentru practicile de producție durabile ale viitorului.

Conceput dintr-un amestec de plastic sintetic și nanocristale de celuloză (CNC), lanțuri de polimeri organici găsiți în mod natural în viața vegetală, materialul are o structură de cărămidă și mortar foarte întărită, asemănătoare cu cea a învelișului interior al unei moluște.

Împingând conținutul CNC al acestui compozit până la 90%, echipa a reușit să-l întărească până la punctul în care ei spun că este „mai dur decât unele tipuri de os și mai dur decât aluminiul obișnuit”. Făcând acest lucru, inginerii au redus semnificativ și conținutul de benzină al materialului, astfel încât acum ar putea debloca imprimarea sau turnarea 3D mai durabilă a pieselor cu proprietăți nevăzute încă.

„Prin crearea de compozite cu CNC-uri la încărcare mare, putem oferi materialelor pe bază de polimeri proprietăți mecanice pe care nu le-au avut niciodată înainte”, spune A. John Hart, profesor de inginerie mecanică la MIT. „Dacă putem înlocui o parte din plastic pe bază de petrol cu ​​celuloză derivată în mod natural, este probabil mai bine și pentru planetă”.

Prin integrarea unor cantități mari de CNC-uri în materialul lor, echipa a reușit să îi ofere modele asemănătoare cu cele ale unei cochilii de moluște. Imagine prin MIT.

Deblocarea potențialului CNC-urilor

În interiorul fiecărei celule de lemn se află o matrice făcută din celuloză, cel mai abundent polimer din lume, iar fiecare dintre aceste fibre conține CNC-uri de armare. Chiar dacă astfel de CNC-uri prezintă lanțuri de polimeri aranjate în modele cristaline, care la scară nanometrică le fac mai puternice decât Kevlarul, celuloza în sine este cel mai frecvent transformată în hârtie sau folosită în industria alimentară, cosmetică sau textilă.

Datorită proprietăților lor mecanice atractive, o cantitate semnificativă de cercetări este acum turnată în extracția CNC-urilor prin hidroliză acidă, cu scopul de a le folosi pentru a fortifica materialele plastice sintetice. Potrivit echipei MIT, totuși, cercetătorii anteriori au reușit să încorporeze doar concentrații scăzute de celuloză în alte materiale, deoarece acestea tind să se aglomereze și să se lege slab cu moleculele polimerice.

Pentru a depăși aceste dezavantaje, inginerii de la MIT au formulat, prin urmare, un material nou, prin amestecarea CNC-urilor într-un oligomer epoxidic și fotoinițiator, într-un raport care le vede să se transforme într-un gel. Ideea este aceea de a dezvolta un nano-compozit, cu o consistență care să îi permită să fie alimentat printr-o duză de imprimare 3D sau turnat într-o matriță pentru a fi turnat, fără a avea niciunul dintre bulgări care cauzează o coeziune plastică slabă.

„Practic am deconstruit lemnul și l-am reconstruit”, explică Abhinav Rao, dr., unul dintre cercetătorii proiectului. „Am luat cele mai bune componente ale lemnului, care sunt nanocristale de celuloză, și le-am reconstruit pentru a obține un nou material compozit”.

Modelul de dinte pe bază de celuloză imprimat 3D al echipei MIT.
Pentru a prezenta aplicațiile dentare ale materialului lor, echipa MIT l-a imprimat 3D într-un model de dinte pe bază de celuloză. Imagine prin MIT.

Un nanocompozit greu de spart

Când cercetătorii de la MIT au examinat noul lor material la microscop, au descoperit că acesta era caracterizat de un model similar cu cel al nacrei, biomineralul dur care căptușește partea interioară a unor cochilii de moluște. Datorită microstructurii sale „zig-zag” și încărcării CNC de până la 90%, echipa a teoretizat că compozitul lor pe bază de celuloză ar putea fi imprimat sau turnat în forme extrem de durabile.

Pentru a testa această ipoteză, inginerii au continuat să introducă gelul într-o imprimantă DIW Hyrel 3D Engine SR echipată cu un extruder pneumatic, care l-a depus în părți stratificate de 0,5 mm, înainte de a le întări, usca și lustrui înainte de testare.

Interesant, rezultatele au arătat că gelul s-a micșorat la extrudare cu 80%, lucru pe care echipa l-a atribuit evaporării solventului în timpul uscării inițiale. Cu toate acestea, între etapele de uscare și de întărire termică, ei au descoperit că materialul ar putea fi turnat cu mult mai puțină contracție și că utilizarea unui sonicator cu sondă pentru a dispersa CNC-urile în gel a fost, de asemenea, un mijloc foarte eficient de unificare a acestora cu polimeri.

În mod similar, în timpul evaluărilor „scratch”, în care cercetătorii au încercat să-și spargă în mod deliberat prototipurile de mărimea unui ban, ei au descoperit că nu au putut, din cauza modului în care au fost aranjate boabele de celuloză din compozitul lor.

Mergând mai departe, inginerii cred că aceste caracteristici de rezistență, precum și compatibilitatea de turnare și imprimare a materialului lor, i-ar putea oferi aplicații în producția de implanturi dentare pe bază de celuloză, sau chiar piese mai mari ecologice, deși adaugă că ” Trebuie să-și perfecționeze contracția pentru a face acest lucru posibil.

„Dacă ai putea evita contracția, ai putea continua să crești, poate la scara metrului”, adaugă Rao. „Atunci, dacă ar fi să visăm mare, am putea înlocui o parte semnificativă a materialelor plastice cu compozite de celuloză”.

Produse din lemn imprimate 3D de Forust.  Fotografie prin Forust.
Imprimarea 3D pe bază de lemn a devenit mai comercializată anul trecut, după ce Desktop Metal și-a lansat marca Forust. Fotografie prin Forust.

Biomateriale emergente pe bază de lemn

Deși lemnul nu este în prezent utilizat pe scară largă în imprimarea 3D, o cantitate semnificativă de cercetări este acum turnată în deblocarea potențialului lor ca alternativă la polimerii pe bază de petrol. Anul trecut, de exemplu, o echipă diferită de la MIT a venit cu celule de lemn cultivate în laborator despre care ei teoreticeau că ar putea fi imprimate 3D în mobilierul de uz casnic.

De asemenea, cercetătorii de la Universitatea din Freiburg au dezvoltat, de asemenea, un nou biomaterial imprimabil 3D pe bază de lemn, compus atât din bile de lignină, cât și din celuloză. Conceput pentru a aborda construcții ușoare sau aplicații industriale, polimerii cristalini din plante ai echipei s-au dovedit capabili să formeze rețele supramoleculare în părți, deși în detrimentul solidității necesare pentru o utilizare scalabilă.

În altă parte, la un nivel mai comercial, Desktop Metal a lansat Forust, o marcă de jet de liant pe bază de lemn, axată pe transformarea produselor secundare de deșeuri în componente destinate utilizării finale. Prin amestecarea rumegușului și a ligninei într-un compozit de rășină bio-epoxidice, firma permite acum arhitecților, designerilor și producătorilor să imprime 3D arhitecturi personalizate ecologice folosind sisteme Desktop Metal.

Descoperirile cercetătorilor sunt detaliate în lucrarea lor intitulată „Compozite celuloză-epoxidice nanocristalină imprimabile, turnabile, care prezintă o întărire ierarhică asemănătoare soluției”Care a fost co-autor de Abhinav Rao, Thibaut Divoux, Crystal E. Owens și A. John Hart.

Pentru a fi la curent cu cele mai recente știri despre imprimarea 3D, nu uitați să vă abonați la Buletin informativ pentru industria imprimării 3D sau urmăriți-ne pe Stare de nervozitate sau dați like paginii noastre pe Facebook.

Pentru o scufundare mai profundă în fabricarea aditivă, vă puteți abona acum la sistemul nostru Youtube canal, cu discuții, debrief-uri și fotografii cu imprimarea 3D în acțiune.

Ești în căutarea unui loc de muncă în industria producției aditive? Vizita Lucrări de imprimare 3D pentru o selecție de roluri în industrie.

Imaginea prezentată arată modelul de dinte pe bază de celuloză imprimat 3D al echipei MIT. Imagine prin MIT.

Leave a Comment

Adresa ta de email nu va fi publicată.