Phương pháp in 3D mới ‘tạo ra’ các vật liệu siêu bền

Kỹ thuật quang trùng hợp trong bể chứa là một kỹ thuật in 3D trong đó nhựa nhạy sáng được đổ vào một bể chứa, sau đó được làm cứng có chọn lọc thành hình dạng mong muốn bằng cách sử dụng tia laser hoặc tia UV. Tuy nhiên, quy trình này chủ yếu chỉ được sử dụng với các polyme nhạy sáng, điều này hạn chế phạm vi ứng dụng hữu ích của nó.

Mặc dù một số phương pháp in 3D đã được phát triển để chuyển đổi các polyme được in này thành kim loại và gốm cứng hơn, Daryl Yee, trưởng phòng thí nghiệm Hóa học Vật liệu và Sản xuất thuộc Trường Kỹ thuật của EPFL, giải thích rằng các vật liệu được sản xuất bằng các kỹ thuật này gặp phải những nhược điểm nghiêm trọng về cấu trúc. Ông nói: “Những vật liệu này có xu hướng xốp, làm giảm đáng kể độ bền của chúng, và các bộ phận bị co ngót quá mức, gây ra hiện tượng biến dạng.”

Giờ đây, Yee và nhóm của ông đã công bố một bài báo trên tạp chí Advanced Materials mô tả một giải pháp độc đáo cho vấn đề này. Thay vì sử dụng ánh sáng để làm cứng một loại nhựa đã được tẩm sẵn các tiền chất kim loại, như các phương pháp trước đây, nhóm nghiên cứu EPFL trước tiên tạo ra một khung 3D từ một loại gel đơn giản gốc nước gọi là hydrogel. Sau đó, họ tẩm các muối kim loại vào hydrogel “trống” này, trước khi chuyển hóa chúng thành các hạt nano chứa kim loại thấm vào cấu trúc. Quá trình này sau đó có thể được lặp lại để tạo ra các vật liệu composite có nồng độ kim loại rất cao.

Sau 5-10 “chu kỳ phát triển”, bước gia nhiệt cuối cùng sẽ đốt cháy phần hydrogel còn lại, để lại sản phẩm hoàn chỉnh: một vật thể bằng kim loại hoặc gốm sứ có hình dạng của polyme ban đầu, với độ đặc và độ bền chưa từng có. Vì hydrogel chỉ được ngấm muối kim loại sau khi chế tạo, kỹ thuật này cho phép một hydrogel duy nhất được biến đổi thành nhiều vật liệu composite, gốm sứ hoặc kim loại khác nhau.

“Công trình nghiên cứu của chúng tôi không chỉ cho phép chế tạo các kim loại và gốm sứ chất lượng cao bằng quy trình in 3D dễ tiếp cận và chi phí thấp; mà còn làm nổi bật một mô hình mới trong sản xuất bồi đắp, trong đó việc lựa chọn vật liệu diễn ra sau khi in 3D, chứ không phải trước đó,” Yee tóm tắt.

Hướng đến các kiến ​​trúc 3D tiên tiến

Trong nghiên cứu của mình, nhóm nghiên cứu đã chế tạo các hình dạng lưới toán học phức tạp gọi là gyroid từ sắt, bạc và đồng, chứng minh khả năng của kỹ thuật này trong việc tạo ra các cấu trúc mạnh mẽ nhưng phức tạp. Để kiểm tra độ bền của vật liệu, họ đã sử dụng một thiết bị gọi là máy thử nghiệm vạn năng để tác dụng áp lực tăng dần lên các gyroid.

Nghiên cứu của chúng tôi nêu bật một mô hình mới trong sản xuất bồi đắp, trong đó việc lựa chọn vật liệu diễn ra sau khi in 3D, thay vì trước đó.

“Vật liệu của chúng tôi có thể chịu được áp lực gấp 20 lần so với các vật liệu được sản xuất bằng các phương pháp trước đây, trong khi chỉ bị co ngót 20% so với 60-90% của các phương pháp trước,” Yiming Ji, nghiên cứu sinh tiến sĩ và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Các nhà khoa học cho biết kỹ thuật của họ đặc biệt thú vị cho việc chế tạo các cấu trúc 3D tiên tiến cần phải đồng thời bền chắc, nhẹ và phức tạp, chẳng hạn như cảm biến, thiết bị y sinh hoặc thiết bị chuyển đổi và lưu trữ năng lượng. Ví dụ, chất xúc tác kim loại rất cần thiết để thúc đẩy các phản ứng chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng. Các ứng dụng khác có thể bao gồm kim loại có diện tích bề mặt lớn với các đặc tính làm mát tiên tiến cho công nghệ năng lượng.

Nhìn về phía trước, nhóm đang nỗ lực cải tiến quy trình để tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng trong công nghiệp, đặc biệt là bằng cách tăng thêm mật độ vật liệu. Một mục tiêu khác là tốc độ: các bước truyền dịch lặp đi lặp lại, mặc dù cần thiết để tạo ra vật liệu bền hơn, nhưng lại làm cho phương pháp này tốn nhiều thời gian hơn so với các kỹ thuật in 3D khác để chuyển đổi polyme thành kim loại. “Chúng tôi đang nỗ lực giảm tổng thời gian xử lý bằng cách sử dụng robot để tự động hóa các bước này,” Yee nói.