Menu
e-shop
Aditivní výroba, tedy tvorba fyzických objektů vrstvu po vrstvě z digitálních dat, představuje revoluci v průmyslové výrobě, umožňující rychlou a přesnou produkci složitých tvarů z různých materiálů. Mezi nejrozšířenější metody patří vat photopolymerization (VP), známá také jako digitální světelná projekce, která využívá fotopolymerizační pryskyřice vytvrzované světlem. Je oblíbená zejména pro vysoké rozlišení, rychlost a materiálovou flexibilitu, a proto nachází uplatnění v zubním lékařství, šperkařství či výrobě obuvi.
Nicméně tradiční VP vyžaduje podpůrné struktury pro stabilizaci převisů a složitých geometrických prvků během tisku. Tyto podpory jsou často vyrobeny z termosetových pryskyřic, které nelze recyklovat, což vede k odpadu a složitému post-processingu, tedy náročnějším úpravám, které se provádějí s vytištěným objektem po dokončení samotného 3D tisku.
Současné metody, jako je volumetrické VP, sice umožňují tisk bez podpor, ale jsou omezené velikostí dílů a detaily. Alternativní technologie, jako například extruze nebo inkoustové tiskárny, umožňují vícemateriálový tisk s rozpustnými podpory, avšak za cenu nižší rychlosti, rozlišení a materiálové rozmanitosti ve srovnání s VP.
Pro zlepšení VP je tedy podle vědců klíčové vyvinout systém, který umožní tisk podpůrných struktur rozpustných v bezpečných rozpouštědlech a zároveň zachová mechanickou pevnost a kvalitu finálního produktu.
Tým vědců z MIT tedy představil inovativní přístup, který využívá speciální pryskyřici reagující na dvě různé vlnové délky světla. Viditelné světlo (405 nm) polymerizuje isobornylakrylát (IBOA) na pevný, ale rozpustný termoplastický materiál. UV světlo (365 nm) vytváří z epoxidových monomerů (EPOX) vysoce crosslinkovaný termoset, který je odolný vůči rozpouštění. Jde o typ polymerního materiálu, jehož jednotlivé polymerní řetězce se propojí (crosslinkují) do trojrozměrné síťové struktury. Tento proces vytváří pevný, nerozpustný a tepelně odolný materiál, který při zahřátí již neměkne ani se neroztaví, na rozdíl od termoplastů.
Díky tomu lze v jediném tisku vytvořit objekty s pevnými částmi a zároveň s podpůrnými strukturami, které lze po tisku jednoduše rozpustit v neškodných rozpouštědlech, jako je minerální olej, D-limonen nebo etylacetát.
Hlavní složkou pryskyřice je zhruba 60 % IBOA, který polymerizuje na poly(IBOA) – pevný, ale rozpustný polymer. Dále obsahuje asi 40 % EPOX, který vytváří odolný termoset prostřednictvím kationtové polymerizace. Přidání malého množství (asi 1 %) difunkčního křížového spojovače ECHA umožňuje propojení obou polymerních sítí při UV expozici, což zvyšuje odolnost vůči rozpouštědlům v nesolubilní části.
Tisk probíhá na speciální tiskárně vybavené dvěma LED zdroji a digitálními mikrozrcadly, které umožňují přesné prostorové a časové řízení expozice UV a viditelného světla. Model je rozdělen na části, které jsou postupně vystaveny buď UV, nebo viditelnému světlu, čímž vznikají oblasti s odlišnou rozpustností.
Materiály vytvrzené viditelným a UV světlem vykazují elasticitu v rozmezí 1,1 až 1,8 GPa, což podle vědců odpovídá běžným inženýrským polymerům a zajišťuje dostatečnou pevnost pro tisk i následné použití.
Po tisku se vzorky zahřívají až na 150 °C, což zvyšuje konverzi epoxidových skupin a tím i hustotu křížení v UV-exponovaných oblastech, čímž se zvyšuje jejich odolnost vůči rozpouštědlům. Viditelně vytvrzené oblasti zůstávají rozpustné i po tepelné úpravě díky nižší hustotě křížení.
Podpůrný materiál lze rozpustit při 70 °C v čistém IBOA, přefiltrovat a znovu použít v dalších tiscích bez ztráty mechanických vlastností ani kvality tisku. Tento proces umožňuje recyklaci podpůrných struktur a významné snížení odpadu.
Vědci demonstrovali tisk složitých objektů, například ozubených kol, která po rozpouštění podpůrného materiálu volně rotují, nebo zubní protézy s rozpustnými podpůrnými rozhraními. Také se jim povedlo tisknout složité mřížové struktury a součástky v různých orientacích současně, což zvyšuje produktivitu.
U těchto materiálů lze také programovat rychlost rozpouštění pomocí kombinace UV a viditelného osvětlení, což otevírá možnosti pro řízené uvolňování materiálu, například v lékařských implantátech nebo systémem řízeného uvolňování léčiv.
Přestože SSVP představuje významný krok vpřed, má i tato novinka své technické limity. Rozměrové změny během tepelného zpracování a rozpouštění totiž dosahují ±3–6 %, což může ovlivnit přesnost finálního výrobku.
Alternativní metody využívají například rychle rozpustné thiol–ene pryskyřice, tedy speciální typy polymerních materiálů, které vznikají reakcí mezi thiolovými (–SH) skupinami a vinylovými (ene) skupinami za vzniku síťované polymerní struktury. Ty mají porézní podporamy, které dosahují až 50× rychlejšího rozpouštění díky vyššímu poměru povrchu k objemu. Tyto materiá-ly také vykazují dobrou recyklovatelnost a mechanickou stabilitu po více cyklech. Nicméně jejich mechanické vlastnosti a kompatibilita s VP jsou zatím omezenější než u SSVP.
Díky kombinaci chemické inovace, precizního řízení polymerizace a možnosti recyklace má SSVP podle vědců potenciál zásadně změnit průmyslové standardy v 3D tisku, zejména v oblastech zdravotnictví, mikrofluidiky a spotřební výroby. Výzkumný tým se proto dále zaměří na rozšíření mechanických vlastností, zvýšení rozlišení a integraci funkcionalit jako biokompatibilita či elektrická vodivost.*
Anna Walterová
Foto: Pxhere
