3D-printade hundbensformade nanokompositprover för dragprovning. Kredit:Masoud Kasraie
En ny, 3D-utskrivbart polymer nanokompositbläck har otroliga egenskaper – och många applikationer inom rymd, medicin och elektronik.
Maskinteknikforskare vid Michigan Technological University har skapat ett sätt att göra ett 3D-utskrivbart nanokompositpolymerbläck som använder kolnanorör (CNT) – känt för sin höga draghållfasthet och lätthet. Det här revolutionerande bläcket skulle kunna ersätta epoximaterial – och att förstå varför dess egenskaper är så fantastiska är ett första steg mot massanvändning.
3d-utskrivning, även känd som additiv tillverkning, är mer mångsidig och effektiv än gjutning. Det tillför ett material med precision, ofta i komplexa geometrier, med betydligt mindre överskott att skära bort. Lägga till lågdimensionella nanomaterial som CNT, grafen, metallnanopartiklar och kvantprickar gör att 3D-tryckta material kan anpassa sig till yttre stimuli, ger dem funktioner som elektrisk och termisk ledningsförmåga, magnetism och elektrokemisk lagring.
Men 3D-utskrift med plast, metall eller något helt annat är inte nytt. Vad tekniska forskare har gjort annorlunda är att använda polymera nanokompositer (gjorda av epoxi, kolnanorör och nano-lera) och en tryckprocess som inte offrar funktionalitet. Kopplingen mellan materialtyp och morfologi—storlek, form, struktur – i polymer nanokompositbläck är den ultimata formmötesfunktionen.
Utforskningen av processen, morfologi och egenskaper hos polymerbläck är föremål för en artikel som nyligen publicerats i tidskriften Additiv tillverkning av Parisa Pour Shahid Saeed Abadi, en ingenjör som utforskar gränssnittet mellan material, mekanik och medicin, och doktorand Masoud Kasraie.
Abadi och Kasraie påpekar att innan forskare kan springa iväg till tävlingarna med polymerbläck, de måste först lära sig att gå. Det första steget är att gräva i skärningspunkten mellan makroskalan (hur våra ögon ser ett material prestera) och nanoskalan (det vi inte kan se, men vet förekommer).
Bygga förståelse före marknadsandelar
Medan polymernanokompositer och 3D-utskriftsprodukter och -tjänster båda har marknadsvärden för miljarder dollar, nanomaterial 3D-utskrift har bara ett marknadsvärde på cirka 43 miljoner dollar, Abadi noterade.
Inriktning av nanomaterial i riktning mot 3D-utskrift visas med elektronmikroskopi efter plasmaetsning av polymeren. Kredit:Masoud Kasraie
"För nationellt välstånd och upprätthållande av globalt ledarskap inom tillverkning, gapet mellan de verkliga tillämpningarna av 3D-utskrift och nanomaterial kontra nanomaterial 3D-utskrift måste stängas, "Abadi sa. "Klyftan finns på grund av bristande kontroll av nanokompositegenskaper i 3D-utskriftsprocessen, eftersom vi inte helt förstår förhållandet process-morfologi-egenskap."
Flaskhalsen är att förstå det komplexa samspelet mellan 3D-utskriftsprocessernas makroskaliga mekanik och nanokompositernas mekanik och fysik. Abadi och Kasraies forskning försöker lossa på flaskhalsen genom att utforska förhållandet mellan 3D-printprocessparametrar och nanomaterialmorfologi i nanokomposittryckfärger, vilket är den viktigaste men minst utforskade pusselbiten.
De många fördelarna med nanomaterialbläck
Går bortom vetenskapen om nanokompositbläck, materialet lovar mycket på grund av dess många funktioner. En fördel med 3D-utskrift är nästan fullständig kontroll över slutproduktens form.
Konduktiviteten hos Abadi och Kasraies nanomaterialbläck är en exceptionellt praktisk egenskap som ger den tryckta epoxin potentialen att fungera som elektriska ledningar – oavsett om det är i ett kretskort, ett flygplans vinge eller i 3D-printade ställdon för att styra katetrar i blodkärl. En annan användbar egenskap hos nanokompositpolymerbläcket är dess styrka.
"Jämfört med stål och aluminium, vi ser 80% viktminskning med epoxikomposit med samma styrka, sa Kasraie.
Till sist, inom det medicinska området och flyg- och elektronikindustrin, där defekter och skador kan skapa stora problem, nanokompositerna fyller en säkerhetsfunktion.
"När något går sönder, en liten spricka börjar från en mikroskalig defekt och fortskrider tills den bryter hela strukturen, "Abadi sa. "Nanokompositegenskaper gör broar i dessa sprickor och låter inte sprickorna växa. Detta är en av mekanismerna genom vilka kolnanorör ökar materialets mekaniska styrka."
Förhållande mellan egendom och vikt, elektrisk konduktivitet, ökad styrka och enkel applicering är bara några av de många lovande anledningarna till varför polymer nanokompositbläck sannolikt kommer att ersätta traditionella epoxier.
