محققان مهندسی مکانیک در دانشگاه فناوری میشیگان راهی برای ایجاد جوهر پلیمری نانوکامپوزیتی قابل چاپ سه بعدی ایجاد کرده اند که از نانولوله های کربنی (CNT) استفاده می کند-که به دلیل استحکام کششی و سبکی بالا شناخته شده است. این جوهر انقلابی می تواند جایگزین اپوکسی شود - و درک اینکه چرا خواص آن فوق العاده است اولین گام در جهت استفاده انبوه آن است.
چاپ سه بعدی، که به عنوان یک روش تولید پیشرفته نیز شناخته می شود، همه کاره و کارآمدتر از ریخته گری است. ازاین ماده اغلب برای ایجاد هندسه های پیچیده استفاده میشود. افزودن نانومواد با ابعاد کم مانند CNT ها ، گرافن ، نانوذرات فلزی و نقاط کوانتومی به مواد چاپ شده سه بعدی اجازه می دهد تا با محرکهای خارجی سازگار شوند و ویژگی هایی مانند رسانایی الکتریکی و حرارتی، مغناطیس و ذخیره الکتروشیمیایی را به آنها می دهد.
اما چاپ سه بعدی با استفاده از پلاستیک، فلز یا چیزهای دیگر کاملاً جدید نیست. آنچه محققان فناوری متفاوت انجام داده اند، استفاده از نانوکامپوزیت های پلیمری (ساخته شده از اپوکسی، نانولوله های کربنی و نانو رس) و یک فرآیند چاپ است که عملکرد را تضعیف نمی کند. محل اتصال نوع و مورفولوژی - اندازه ، شکل ، ساختار - در جوهرهای نانوکامپوزیت پلیمری ، در عملکرد ملاقات نهایی نهایی است.
اکتشاف فرآیند، مورفولوژی و خواص جوهرهای پلیمری موضوع مقاله ای است که اخیراً در مجله Additive Manufacturing توسط پریسا پور شهید سعید آبادی ، مهندس کاوشگر رابط مواد، مکانیک و پزشکی و دانشجوی کارشناسی ارشد مسعود کسرایی منتشر شده است.
آبادی و کسرایی خاطرنشان می کنند که قبل از اینکه محققان بتوانند با استفاده از جوهرهای پلیمری در مسابقات شرکت کنند، ابتدا باید راه رفتن را بیاموزند. اولین قدم این است که به تقاطع مقیاس کلان (چگونگی عملکرد یک ماده در چشمان ما) و مقیاس نانو (چیزی که ما نمی توانیم ببینیم ، اما می دانیم در حال رخ دادن است) بپردازیم.
ایجاد تفاهم قبل از سهم بازار
آبادی خاطرنشان کرد: در حالی که نانوکامپوزیت های پلیمری و محصولات و خدمات چاپ سه بعدی هر دو دارای ارزش بازار میلیارد دلاری هستند ، چاپ سه بعدی نانومواد تنها 43 میلیون دلار ارزش بازار دارد.
آبادی گفت: "برای رونق ملی و حفظ رهبری جهانی در تولید، فاصله بین کاربردهای چاپ سه بعدی در دنیای واقعی و نانومواد در مقابل چاپ سه بعدی نانومواد باید بسته شود." "این شکاف به دلیل عدم کنترل خواص نانو کامپوزیت در فرایند چاپ سه بعدی وجود دارد ، زیرا ما به طور کامل رابطه فرایند-ریخت شناسی و ویژگی را درک نمی کنیم."
تنگنا درک متقابل پیچیده بین مکانیک در مقیاس کلان فرآیندهای چاپ سه بعدی و مکانیک و فیزیک مقیاس نانو نانوکامپوزیت ها است. تحقیقات آبادی و کسرایی با بررسی رابطه بین پارامترهای فرآیند چاپ سه بعدی و ریخت شناسی نانومواد در جوهرهای چاپ نانوکامپوزیت ، که مهمترین اما کمترین کاوش شده در این پازل است، گلوگاه را برطرف می کند.
مزایای بسیاری از جوهر نانومواد
با فراتر رفتن از علم جوهر نانو کامپوزیت، این ماده به دلیل عملکردهای زیاد نویدبخش است. یکی از مزایای چاپ سه بعدی کنترل تقریباً کامل بر شکل محصول نهایی است.
رسانایی جوهر نانومواد آبادی و کسرایی یک ویژگی فوق العاده مفید است که به اپوکسی چاپ شده امکان سیم کشی الکتریکی را می دهد-چه در صفحه مدار، چه در بال هواپیما و چه در محرک های چاپ سه بعدی برای هدایت کاتتر در عروق خونی. یکی دیگر از ویژگی های مفید جوهر پلیمری نانوکامپوزیت ، استحکام آن است.
کسرایی گفت: "در مقایسه با فولاد و آلومینیوم ، شاهد کاهش 80 درصدی وزن با کامپوزیت اپوکسی با استحکام یکسان هستیم."
سرانجام ، در زمینه پزشکی و صنایع هوافضا و الکترونیک، که نقص و آسیب می تواند مشکلات بزرگی را به دنبال داشته باشد، نانوکامپوزیت ها عملکرد ایمنی را انجام می دهند.
آبادی گفت: "وقتی چیزی می شکند ، یک ترک کوچک از نقص در مقیاس کوچک شروع می شود و پیشرفت می کند تا کل ساختار را بشکند." "ویژگی های نانوکامپوزیت باعث ایجاد پل هایی در آن شکاف ها می شود و اجازه نمی دهد ترک ها رشد کنند. این یکی از مکانیسم هایی است که از طریق آن نانولوله های کربنی قدرت مکانیکی مواد را افزایش می دهند."
نسبت خواص به وزن ، رسانایی الکتریکی، افزایش استحکام و سهولت کاربرد تنها چند مورد از دلایل امیدوار کننده ای است که نشان می دهد جوهرهای نانوکامپوزیت پلیمری احتمالاً جایگزین اپوکسی های سنتی می شوند.
- Masoud Kasraie, Parisa Pour Shahid Saeed Abadi. Additive manufacturing of conductive and high-strength epoxy-nanoclay-carbon nanotube composites. Additive Manufacturing, 2021; 46: 102098 DOI: 10.1016/j.addma.2021.102098
