Een aantal nieuwe materialen voor 3D-printers is in staat zich na beschadiging zelfstandig te herstellen. Het gaat om vloeibare harsen met een consistentie vergelijkbaar met superlijm. Tijdens het lithografische proces stollen deze harsen selectief, waarbij het materiaal laag voor laag uithardt.
Zelfherstellende materialen bieden interessante kansen. Betrouwbaardere onderdelen met herstellende eigenschappen leveren in diverse sectoren voordelen op, onder meer door kosten te besparen en de veerkracht van materialen te vergroten. Geprinte materialen kunnen zo langer meegaan en efficiënter worden ingezet.
“Wanneer je een bot breekt of je snijdt, nemen we het vanzelfsprekend dat er een zelfherstellend mechanisme is dat botten of huid in zekere mate laat herstellen,” zei Christopher Lewis. “Maar voor synthetische materialen of door mensen gemaakte objecten geldt dat niet. Ons werk aan zelfherstellende materialen kijkt naar de toekomst: hoe kunnen we systemen ontwikkelen die natuurlijke materiaaleigenschappen nabootsen?”, legt Christopher Lewis, als hoogleraar verbonden aan het College of Engineering Technology van het Rochester Institute of Technology (RIT), uit.
Uitdagingen en vooruitgang
Veel gebruikte 3D-printmaterialen zijn van nature bros, wat het risico op falen vergroot. Zo kunnen 3D-geprinte objecten na verloop van tijd barsten, zeker als zij belast worden. Het team van het RIT ontdekte dat het combineren van een thermoplastisch middel met een UV-uithardende hars het materiaal versterkt en daarnaast scheuren in het materiaal herstelt.
“Het maakt het materiaal aanzienlijk sterker dan voorheen. Een van de problemen met deze zachte, elastomere materialen is dat ze traditioneel zwak zijn. Daarnaast krijgt het materiaal een nieuwe eigenschap: vormgeheugen. We beginnen net te begrijpen hoe dit werkt”, zegt Lewis.
Diverse uitdagingen
Een belangrijke uitdaging bij het ontwikkelen van zelfherstelende materialen voor 3D-printers is het reguleren van de viscositeit van de reactieve hars. Ook moet worden zekergesteld dat alle materialen oplosbaar en lichtgevoelig zijn.
“Onze aanpak combineert twee componenten: een fotoreactieve, thermohardende polymeer die na uitharding een zacht rubber wordt, en een thermoplastisch herstelmiddel,” licht Lewis toe. “Door polymerization-induced phase separation (PIPS) te gebruiken, scheiden de thermohardende en thermoplastische materialen zich tijdens het uitharden. Dat is cruciaal voor het hele proces.”
Hoe werkt PIPS?
PIPS is een enkelvoudig, gesegmenteerd proces waarbij een optisch transparante vloeistof licht doorlaat. Tijdens het uitharden van de UV-hars scheidt de thermoplastische fase zich af. Lewis vergelijkt de uiteindelijke fasegescheiden structuur met een lavalamp, die van vorm verandert onder invloed van licht of warmte.
“Eerder onderzoek naar thermoplastische polymeerblends, verwerkt met conventionele technieken zoals spuitgieten of extrusie, suggereerde dat juist die fasecheiding het zelfherstellende gedrag van die systemen leek aan te sturen”, zegt Lewis. Dat inzicht leidde ertoe dat de onderzoekers experimenteerden met hetzelfde herstelmiddel en fotoreactieve polymeersysteem, wat uiteindelijk tot deze ontwikkeling heeft geleid.
Hoe kunnen zelfherstellende materialen het 3D-printproces verbeteren?
Het onderzoek is door Lewis uitgevoerd in samenwerking met wetenschappers van RIT’s AMPrint Center. Centraal daarbij stond de vraag hoe zelfherstellende materialen het 3D-printproces kunnen verbeteren. De bevindingen van dit onderzoek zijn door Lewis samen met medeauteurs Vincent Mei en Kory Schimmelpfennig, promovendi van RIT, gepubliceerd in onder meer ACS Applied Polymer Materials, Polymer en 3D Print Industry.
De onderzoekers willen zich de komende periode richten op de verdere optimalisatie van de materialen en hun toepassingen in de industrie.
Beeld: ZMorph Fab 3D Printer via Pixabay
