В Испании разработали сверхскоростную методику 3D-печати микроструктур

Группа работающих в Барселоне ученых представила усовершенствованную версию методики 3D-печати на субмикронном уровне со скоростью на три-четыре порядка выше, чем у экструдерных или капельных систем. Рассказываем, что такое электрогидродинамическое напыление с электростатическим отклонением потока и с чем его едят.

Начнется наш рассказ не с Каталонии, а Швейцарии, так как фундамент новой методики заложили исследователи из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich). В 2019 году команда под руководством заведующего нанометаллургической лабораторией профессора Ральфа Шполенака представила технологию 3D-печати микроструктур ионами металлов (на иллюстрации выше) — этакую адаптированную методику электрогидродинамического распыления. Технология позиционировалась как гибкая альтернатива дорогим и трудоемким методикам аддитивного производства с использованием коллоидных растворов металлов или «наночернил». В разработке швейцарских ученых раствор ионов с расходного анода разгоняется через сопло и напыляется на катод, служащий субстратом, послойно формируя требуемые структуры. Технология позволяет формировать капли в нанометровом диапазоне и, следовательно, печатать микроструктуры. Проблема лишь в производительности, а произрастает она не только из скорости подачи материала, но и из скорости позиционирования.

Дело в том, что механические системы ввиду неизбежной инерционности не позволяют позиционировать субстрат или головку с необходимыми для раскрытия полного потенциала ускорениями. Именно поэтому в швейцарской системе материал наносится пульсами, то есть каплями, а не непрерывным потоком. Вот за решение этой проблемы и взялись каталонские коллеги, предложившие управлять направлением потока с помощью тех же электромагнитных полей. В испанской версии механическая система позиционирования дополнена электродами, установленными возле сопла, на котором формируется конус Тейлора. Материалы здесь использовались другие: в основном электризованный водно-спиртовой раствор с пятипроцентным содержанием полиэтиленгликоля, но сути дела это не меняет. Генерируемые поля позволяют отклонять напыляемый материал и «штриховать» рабочую поверхность с высокой частотой, в опытах достигавшей двух килогерц, с боковыми ускорениями до 10^6 м/с^2 и скоростями до 0,5 м/c в горизонтальной плоскости и до 0,4 м/с в вертикальной.  

Так как поток формируется на конусе Тейлора, эффективно решается проблема забивания сопла, ибо фактический диаметр фильеры намного больше, чем диаметр потока и тем более отдельных частиц, в данном случае волокон полиэтиленгликоля. Играя с электрическим напряжением, скоростью подачи и вязкостью раствора можно получать потоки разного диаметра, вплоть до ста нанометров и даже ниже. В ходе опытов ученые успешно печатали микроструктуры высотой до ста микрон, в том числе с соотношением высоты к толщине свыше 1000:1. На иллюстрации ниже можно увидеть образцы, состоящие из 50-150 слоев волокон.

Ученые указывают, что скорость можно дополнительно нарастить за счет повышения электропроводности используемого материала для более эффективного рассеивания заряда во время осаждения на субстрат, иначе процессу будет мешать электростатическое отталкивание укладываемых частиц. С другой стороны, после достаточно длительного контакта с проводящим субстратом уложенные частицы приобретают противоположный заряд, что уже играет на руку, помогая притягивать новые частицы и тем самым повышая точность укладки по принципу электростатической фокусировки.  

Окружающая среда тоже сыграла роль: водно-спиртовая смесь частично испаряется по пути к субстрату, а пористость и плотность получаемых объектов зависят от вязкости прибывающего материала. Соответственно, при 3D-печати в относительно сухой атмосфере получались более пористые изделия с грубыми поверхностями, а в относительно влажной — более гладкие и плотные.

Что касается выбора материалов, то на практике он диктуется лишь необходимостью в достаточной электропроводности и вязкоупругости. Можно использовать чернила с различными полимерами, либо наночастицами металлов, прекурсорами или солями для последующей термической обработки. Например, на иллюстрации выше (f, g, i и j) показаны структуры, полученные из чернил с 5% содержанием по массе наночастиц серебра и 4,75% содержанием того же полиэтиленгликоля.

С полным докладом команды можно ознакомиться по этой ссылке.  

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru