Лаборатория перспективного производства в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) продолжает добиваться успехов в области дизайна материалов для 3D-печати. В январе мы освещали исследования лаборатории по 3D-печати микроскопических ферм, в результате которых был создан легкий объект с чрезвычайной жесткостью. Ученые и инженеры LLNL, занимающиеся 3D-печатью, выпустили новое исследование под названием «Трехмерная печать эластомерных ячеистых архитектур с отрицательной жесткостью», в котором рассматривается управление свойствами вспененных материалов.
Набивочные материалы, такие как пены и гели, имеют свои преимущества и недостатки. Гели, с одной стороны, хорошо амортизируют, но имеют дополнительный вес и плохие компрессионные свойства. Пены, с другой стороны, являются легкими, сжимаемыми альтернативами, которые страдают недостатком непостоянства характеристик, поскольку при производстве материала трудно контролировать характеристики и расположение воздушных карманов в материале. Однако команда Лаборатории передового производства LLNL начинает развивать способность контролировать физические свойства материалов с помощью цифрового дизайна и 3D-печати.
Как и в своей предыдущей работе, исследователи LLNL могут программировать свойства материала 3D-печатного объекта на микроскопическом уровне, на этот раз создавая новые амортизирующие материалы, которые могут преодолеть ограничения пены и гелей. Используя чернила на силиконовой основе, инженер Эрик Дуосс и ученый Том Уилсон напечатали на 3D-принтере горизонтально ориентированные ряды нитей толщиной с человеческий волос. Поверх этого слоя исследователи напечатали на 3D-принтере нити, ориентированные в вертикальном направлении. Затем они продолжают чередовать каждый слой нитей, пока не создадут объект с желаемым размером и структурой пор. Затем материал отверждается, образуя резиноподобное вещество.
В своих экспериментах Дуосс и Уилсон изменили выравнивание этих слоев, печатая каждый слой в линейном порядке и печатая их в шахматном порядке. Оказалось, что при этом получаются объекты, которые, хотя и сделаны из одного и того же вещества с одинаковой пористостью, демонстрируют заметно разные физические характеристики. Многослойная структура, например, была более жесткой под давлением, так как каждая напечатанная нить могла поддерживать нить непосредственно над ней. По мере того, как это сжатие увеличивалось, многослойная структура, наконец, прогибалась. В случае шахматного выравнивания материал, более мягкий при сжатии, изгибался бы из-за пустот под каждой линией нити.
Исследователи продолжают моделировать свои материалы, что позволяет им точно предсказывать поведение различных структур перед их 3D-печатью, что практически невозможно сделать при производстве пеноматериалов с их непредсказуемой архитектурой. Дюосс сказал о последствиях исследования: «Возможность настраивать заданный набор режимов работы с материалом при таком разрешении уникальна и предлагает отрасли невиданный ранее уровень настройки».
В будущем исследователи LLNL планируют изучить использование этих прокладочных материалов для создания вставок для обуви и шлемов, амортизирующих материалов для чувствительных инструментов, а также для контроля колебаний температуры и вибрации в аэрокосмических деталях.