Исследователи из Вильнюсского университета (https://www.vu.lt/en/) и Каунасского технологического университета (https://en.ktu.edu/) в Литве разработали экологически безопасную, пригодную для вторичной переработки смолу для использования в процессе оптической 3D-печати (O3P).
Полученная из соевых бобов, биосмола отвечает технологическим, функциональным требованиям и требованиям к долговечности обычных полимеров, используемых в 3D-печати, предлагая повышенную биосовместимость при более низких затратах. Новый биоматериал можно было бы использовать в мелкосерийном производстве, перенеся производство O3DP в направлении использования смол на биооснове вместо не подлежащих переработке фотополимеров, полученных из нефти.
Полимеры на биооснове все чаще используются в индустрии 3D-печати в качестве альтернативы фотополимерам из-за их углеродной нейтральности, биоразлагаемости и возможности вторичной переработки. Например, растительное масло широко доступно и может использоваться в качестве исходного материала для многих заменителей полимеров, в то же время демонстрируя присущую способность к разложению и низкую токсичность. Методы O3DP, тем временем, также были разработаны как способ достижения низкого уровня образования отходов, но многие все еще полагаются на смолы, полученные из нефти.
Методы производства O3DP предлагают много преимуществ, таких как интеграция постобработки, которая позволяет изготавливать структуры произвольной формы, которые служат в качестве трехмерных шаблонов для изготовления изделий из чистого стекла, керамики и металла. Кроме того, технологии производства позволяют гибко изготавливать многомерные, иерархические или произвольные структуры, что ускоряет процесс 3D-печати в ряде областей применения.
Чтобы продолжать пользоваться преимуществами печати с использованием O3DP, более безвредными для окружающей среды, литовские исследователи разработали новый биополимер. Смола, созданная из экстрактов сои, подходит для O3DP в масштабах от нано- (сотни нм) до макроскопических измерений (см). Кроме того, благодаря оптимизации импульсной экспозиции во время печати смолу можно обрабатывать в чистом виде, без необходимости добавлять какие-либо искусственные фотоинициаторы (PI).
В зависимости от их применения смолы требуют различной интенсивности облучения и достижимого разрешения, команда выбрала акрилированное эпоксидированное соевое масло (AESO), чтобы продемонстрировать применимость смолы на биооснове в O3DP. Например, большинство настольных 3D-принтеров совместимы с акрилатными или метакрилатными смолами для прототипирования макромасштабных объектов. Nanoscribe (https://www.nanoscribe.com/en/), с другой стороны, предоставляет многомасштабный материал 2PP, но на самом деле он использует три разных фотосмолы, которые предназначены для изготовления деталей для каждого пространственного масштаба. Тогда, по словам литовской команды, не было ни одной фотосмолы, способной обеспечить действительно масштабируемое производство.
Тем временем материал AES
O обладает тем преимуществом, что его можно использовать для изготовления объектов, охватывающих пять порядков. Более того, по мнению исследователей, не только отсутствие светопоглощающих соединений, таких как ИП, делает их биосмолу пригодной для использования с методами O3DP. Окончательная химическая формула, физические характеристики, вязкость и механизмы реакции материала также оказывают существенное влияние на определение его 3D фото структурирующих свойств и способности к переработке.
Используя 3D-печать Deep Light Projector (DLP) на стандартной оптической системе Formlabs Form 2, литовская команда произвела серию образцов для разметки в разных масштабах. Модели включали в себя две фигуры в шахматном стиле под названием «Башня» и «Марвин», нелинейную литографию (NLL) - печатную конструкцию каркаса и решетку, которая достигала сотен мкм внешних размеров, и только несколько мкм отдельных элементов. По словам команды, характеристики этих деталей доказали пригодность их смолы для коммерческого предоставления небольших серийных услуг по требованию, в дополнение к быстрому прототипированию.
УФ-принтеры Asiga Pico2 39 и 3D-принтеры Autodesk Ember DLP использовались для тестирования смол, изготовленных на заказ, на предмет линейного поглощения и пригодности для производства добавок на макроуровне. Напечатанные объекты имели толщину слоев, аналогичную толщине слоев, полученных с использованием полимерных смол, и для дополнительного NLL-тестирования использовалась стандартная установка лазерной литографии, которая была удобна для 3D-печати точных прототипов в миллиметрах. Кроме того, было продемонстрировано тонкое изготовление периодических структур с размерами элементов менее 1 мкм, что означает, что производство не ограничивалось объемными монолитными объектами.
В целом, смола AESO имела очевидные преимущества в производительности по сравнению с существующими смолами, используемыми с O3DP, поскольку она может быть обработана с помощью печати DLP или NLL, сохраняя при этом более 60% своего биологически возобновляемого углерода. Кроме того, реологические и оптические свойства AESO были легко изменены путем смешивания его с разбавителями и ИП, что позволило команде производить многомасштабные (от сотен нм до см) объекты из одного материала.
Механические свойства смолы AESO, такие как модуль упругости, предел прочности на разрыв и относительное удлинение при разрыве, все еще исследуются, и результаты будут опубликованы отдельно в дальнейшем. Тем не менее, продемонстрированная совместимость смолы с целым рядом технологий O3DP может сделать его радикально более простым и более доступным для владельцев настольных 3D-принтеров при производстве продуктов более экологичным способом.
В последние годы был проведен ряд исследований с целью оценки общего воздействия 3D-печати на окружающую среду.
Например, глобальная торговая группа «Ассоциация производителей экологически чистых товаров для производителей добавок» (AMGTA - https://amgta.org/) объявила о систематическом обзоре экологической устойчивости 3D-печати металлами в июне 2020 года. Первая оценка организации направлена на пропаганду зелёных преимуществ аддитивного производства.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT - https://web.mit.edu/), Йельского университета (https://www.yale.edu/) и Ноттингемского университета (https://www.nottingham.ac.uk/) предупредили, что экологические преимущества 3D-печати были переоценены в сентябре 2018 года. Исследования группы показали, что 3D-печать по требованию и быстрое создание прототипов может привести к «резкому увеличению количества потребительских товаров».
В декабре 2017 года специальное издание «Журнала промышленной экологии», выпущенное в Йельской школе лесных и экологических исследований (F&ES), предупредило, что еще слишком рано делать вывод, что 3D-печать является устойчивой. Исследователи отметили, что большинство исследований касалось преимуществ, а не недостатков экологического воздействия 3D-печати.
Выводы исследователей подробно изложены в их статье под названием «Смола на биологической основе для многомасштабной оптической 3D-печати», опубликованной в журнале Scientific Reports (https://www.nature.com/srep/) 16 июня 2019 года.