Когда говорят о 3D-печати, большинство представляет себе процесс в увеличенном масштабе, который видно невооруженным глазом. Критики утверждают, что на данный момент технология 3D-печати годится только для создания прототипов. Это обусловлено тем, что мы ограничены двумя факторами: доступностью материалов и разрешением печати. Хотя на рынке с каждым днем появляется все больше и больше материалов для печати, аддитивное производство по-прежнему зажато в очень узкие рамки по сравнению с традиционным производством. Разрешение печати колеблется от низкого (на потребительских 3D-принтерах, работающих по технологии послойного наплавления) до высокого (на промышленных 3D-принтерах, работающих по технологии лазерной стереолитографии и селективного лазерного спекания). В принципе, здесь перемены тоже не помешают.

Слева направо: члены команды из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса Эрик Дуос, Джули Джексон, Крис Спадаччини, Ксяою «Рейн» Женг и Тодд Вайсграбер держат в руках образцы микроархитектурных метаматериалов

Группа исследователей из Массачусетского технологического института и Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса нашла метод создания микроархитектурных метаматериалов с применением новейшего метода 3D-печати под названием микростереолитография. Он позволяет достичь необыкновенной точности не только при печати объекта, но и в его микроструктуре.

Если вы возьмете микроскоп (с увеличением 25X) и рассмотрите через него обычные предметы домашнего обихода, то обнаружите, что материалы, из которых они изготовлены, отличаются друг от друга. Это связано с тем, что они обладают разной плотностью. Если материал плотнее, он толще. Если его плотность ниже, тогда он тоньше. Руководствуясь этими данными, исследователи решили создать новые метаматериалы.

Инженер из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса Ксяою «Рейн» Женг изучает увеличенную версию одной из элементарных ячеек, из которых состоит ультралегкий и ультрапрочный материал

В состав группы вошли Ховон Ли, доцент из Ратгерского университета, Николас Фанг и Ки «Кевин» Гэ из Массачусетского технологического института, а также Кристофер Спадаччини, Ксяою «Рейн» Женг, Тодд Вайсграбер, Максим Шустефф, Джошуа Деотте, Эрик Дуос, Джошуа Кунтц, Моника Бинер, Джули Джексон и Сергей Кухейев из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса. Они воспользовались идеей, которая появилась десятки лет назад, но до сих пор представляла собой лишь сложное математическое уравнение и чертежи на бумаге. Используя очень точные 3D-принтеры, работающие по технологии микростереолитографии, они смогли разработать и напечатать абсолютно уникальные материалы, которым под силу изменить весь мир.

«Мы обнаружили, что по механической прочности такой легкий и неплотный материал, как аэрогель (тип пеностекла), сравним с твердой резиной. Кроме того, он в 400 раз крепче, чем его эквивалент с такой же плотностью. Такие материалы могут с легкостью выдержать нагрузку, которая в 160000 раз превышает их собственный вес, – объясняет Николас Фанг. – Причина такой сверхвысокой прочности заключается в том, что все микроструктурные элементы в этом материале расположены таким образом, чтобы преодолевать нагрузку и выдерживать прилагаемое усилие».

Мало того что эти материалы в 400 крепче других материалов с такой же плотностью, они еще и в 100 раз прочнее, чем другие ультралегкие кристаллические материалы. Исследователям удалось организовать структуру метаматериалов таким образом, что они получились очень легкими, прочными и крепкими. Они испытали этот метод печати на керамике, металле, полимерах, а также полимерно-керамическом соединении, и все они показали отличные результаты.

«Этот материал относится к числу самых легких в мире, – говорит Спадаччини из Ливерморскойнациональной лаборатории им. Лоуренса. – Благодаря своей микроархитектурной структуре он значительно прочнее других материалов с аналогичной прочностью, таких как аэрогель».

Это означает, что теперь мы можем не только придавать объектам желаемую форму, но и выбирать разные физические характеристики, делая их крепче, прочнее, тверже и т.д. В общем, у этого метода 3D-печати просто неограниченные возможности.

Отдельная ячейка структуры, напечатанная из полимера

Среди вариантов его применения можно упомянуть аккумуляторы для мобильных устройств, велосипедные рамы, автомобильные запчасти, протезы и т.д. Кроме того, исследователи полагают, что эта технология подходит для создания плоских панелей, из которых можно собирать любые структуры. Не стоит забывать и о многочисленных вариантах применения в электронике.

3D-печатные ячейки

Разработка этих метаматериалов и их сложной микромасштабной структуры была бы практически невозможна без новейших 3D-принтеров.

«Теперь мы можем использовать эти прочные и упругие материалы на любом настольном принтере, – считает Фанг, – печатать из них множество образцов и наблюдать за их механическим поведением».

Ниже можно посмотреть видео, в котором раскрываются тайны микростереолитографии.