3D-nano-inkten verleggen de grenzen van de industrie

Een nieuwe, 3D-printbare polymeer nanocomposiet-inkt heeft ongelooflijke eigenschappen – en veel toepassingen in de ruimtevaart, geneeskunde en elektronica.

Werktuigbouwkundige onderzoekers van de Michigan Technological University hebben een manier gevonden om een ​​3D-printbare nanocomposiet-polymeerinkt te maken die koolstofnanobuisjes (CNT’s) gebruikt, bekend om hun hoge treksterkte en lichtheid. Deze revolutionaire inkt zou epoxies kunnen vervangen – en begrijpen waarom de eigenschappen zo fantastisch zijn, is een eerste stap in de richting van massaal gebruik.

3D-printen, ook wel additive manufacturing genoemd, is veelzijdiger en efficiënter dan gieten. Het voegt een materiaal toe met precisie, vaak in complexe geometrieën, met aanzienlijk minder overmaat om weg te snijden. Door laagdimensionale nanomaterialen zoals CNT’s, grafeen, metalen nanodeeltjes en kwantumdots toe te voegen, kunnen 3D-geprinte materialen zich aanpassen aan externe stimuli, waardoor ze eigenschappen krijgen zoals elektrische en thermische geleiding, magnetisme en elektrochemische opslag.

Maar 3D-printen met plastic, metaal of iets anders is niet nieuw. Wat Tech-onderzoekers anders hebben gedaan, is het gebruik van polymere nanocomposieten (gemaakt van epoxy, koolstofnanobuisjes en nanoklei) en een printproces dat de functionaliteit niet opoffert. De combinatie van materiaaltype en morfologie – grootte, vorm, structuur – in polymere nanocomposietinkten is de ultieme vorm-ontmoetingsfunctie.

De verkenning van het proces, de morfologie en de eigenschappen van polymere inkten is het onderwerp van een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Additieve productie door Parisa Pour Shahid Saeed Abadi, een ingenieur die het raakvlak van materialen, mechanica en geneeskunde verkent, en afgestudeerde student Masoud Kasraie.

Abadi en Kasraie wijzen erop dat onderzoekers, voordat ze met polymere inkten naar de races kunnen sprinten, eerst moeten leren lopen. De eerste stap is graven in het snijpunt van de macroschaal (hoe onze ogen een materiaal zien presteren) en de nanoschaal (wat we niet kunnen zien, maar waarvan we weten dat het gebeurt).

Begrip opbouwen vóór marktaandeel

Terwijl polymere nanocomposieten en 3D-printproducten en -diensten beide een marktwaarde van miljarden dollars hebben, heeft 3D-printen van nanomaterialen slechts een marktwaarde van ongeveer $ 43 miljoen, merkte Abadi op.

“Voor nationale welvaart en het behoud van wereldwijd leiderschap in productie, moet de kloof tussen de echte toepassingen van 3D-printen en nanomaterialen versus 3D-printen van nanomaterialen worden gedicht”, zei Abadi. “De kloof bestaat door een gebrek aan controle over de eigenschappen van nanocomposiet in het 3D-printproces, omdat we de relatie tussen proces-morfologie-eigenschap niet volledig begrijpen.”

Het knelpunt is het begrijpen van het complexe samenspel tussen de mechanica op macroschaal van 3D-printprocessen en de mechanica en fysica van nanocomposieten op nanoschaal. Het onderzoek van Abadi en Kasraie probeert het knelpunt te verminderen door de relatie tussen 3D-printprocesparameters en nanomateriaalmorfologie in nanocomposietdrukinkten te onderzoeken, wat het belangrijkste maar minst onderzochte stukje van de puzzel is.

De vele voordelen van nanomateriaalinkt

Het materiaal gaat verder dan de wetenschap van nanocomposiet-inkt en is veelbelovend vanwege de vele functionaliteiten. Een voordeel van 3D-printen is de bijna volledige controle over de vorm van het eindproduct.

De geleidbaarheid van Abadi en Kasraie’s nanomateriaalinkt is een uitzonderlijk handige eigenschap die de gedrukte epoxy het potentieel geeft om te verdubbelen als elektrische bedrading – of het nu in een printplaat, een vliegtuigvleugel of in 3D-geprinte actuatoren is voor het geleiden van katheters in bloedvaten. Een ander nuttig kenmerk van de nanocomposietpolymeerinkt is zijn sterkte.

“In vergelijking met staal en aluminium zien we 80% gewichtsvermindering met epoxycomposiet met dezelfde sterkte”, zei Kasraie.

Ten slotte, in de medische sector en de lucht- en ruimtevaart- en elektronica-industrie, waar defecten en schade grote problemen kunnen opleveren, hebben de nanocomposieten een veiligheidsfunctie.

“Als er iets breekt, begint een kleine scheur van een microschaaldefect en vordert totdat het de hele structuur breekt,” zei Abadi. “Nanocomposietkenmerken maken bruggen in die scheuren en laten de scheuren niet groeien. Dit is een van de mechanismen waardoor koolstofnanobuisjes de mechanische sterkte van het materiaal vergroten.”

Eigenschap-gewichtsverhouding, elektrische geleidbaarheid, verhoogde sterkte en gebruiksgemak zijn slechts enkele van de vele veelbelovende redenen waarom polymere nanocomposietinkten waarschijnlijk traditionele epoxy’s zullen vervangen.