Postęp w materiałach i technologiach do druku 3D.

Druk 3D zrewolucjonizował różne gałęzie przemysłu, umożliwiając produkcję skomplikowanych projektów i kształtów. W ostatnim czasie potencjał nowych materiałów w druku 3D doprowadził do wykładniczego wzrostu zastosowań tej technologii.

Jednak pomimo tych postępów technologia nadal stoi przed poważnymi wyzwaniami, takimi jak wysokie koszty, niskie prędkości drukowania, ograniczone rozmiary części i wytrzymałość.

Rozwój technologii druku 3D-rewolucja przemysłowa.

Technologia druku trójwymiarowego rozwinęła się bezprecedensowo i rewolucjonizuje przemysł produkcyjny. Ta elastyczna technologia zapewnia zalety dostosowywania, prototypowania, różnych technik wytwarzania i złożonych geometrii przy niskim koszcie i krótkim czasie. Technologia wytwarzania przyrostowego przeszła długą drogę od czasu jej powstania, kiedy Chuck Hull, współzałożyciel 3D Systems, opracował pierwszą drukarkę 3D w 1983 roku. W kolejnych latach zainteresowanie tą technologią wzrosło, stała się ona coraz bardziej przystępna cenowo i dostępna. Pod koniec lat 90. i na początku XXI wieku główny nacisk przesunął się na nowe materiały i zastosowania, a technologia wytwarzania przyrostowego stała się szerzej stosowana w sektorach takich jak lotnictwo, opieka zdrowotna i automatyka.

Obecnie technologia druku 3D cieszy się dużym zainteresowaniem ze względu na sposób, w jaki może tworzyć złożone struktury z dużą precyzją i dokładnością. Dodatkowo nowe techniki, takie jak biodruk, otworzyły nowe możliwości w dziedzinie medycyny. Metale, tworzywa termoplastyczne, hydrożele, materiały macierzy zewnątrzkomórkowej, ceramika, kompozyty wzmocnione włóknem, polimery, materiały betonowe, a nawet stopy z pamięcią kształtu, zwane materiałami inteligentnymi, można z łatwością drukować w 3D. Co więcej, technologia ta zapoczątkowała nową erę personalizacji, w której konsumenci mają większy wybór produktu końcowego, zgodnie ze swoimi specyfikacjami. Jednocześnie urządzenia do drukowania 3D mogą być zainstalowane bliżej klienta lub nawet w domu do celów osobistych, co pozwala na bardziej elastyczny proces produkcyjny, a także wyższy poziom kontroli jakości. Co więcej, zastosowanie technologii druku 3D zmniejszyło potrzebę transportu na całym świecie, oszczędzając zarówno energię, jak i czas.

Oprócz różnorodnych zastosowań przemysłowych druk 3D zrewolucjonizował różne dziedziny medycyny, w tym ortopedię, chirurgię, a nawet narządy ludzkie. Umożliwił produkcję precyzyjnych prowadnic chirurgicznych, implantów dostosowanych do indywidualnych potrzeb pacjenta, protez, które można dostosować do indywidualnej anatomii pacjenta, trójwymiarowych tkanek, a nawet całych funkcjonalnych narządów i organizmów. Technologia wykazuje ogromny potencjał w zaspokojeniu rosnącego zapotrzebowania na przeszczepianie narządów, ponieważ umożliwia tworzenie niestandardowych, dostosowanych do potrzeb pacjenta narządów zastępczych. Oprócz medycyny, druk trójwymiarowy ma szeroką gamę zastosowań w niemal każdym możliwym sektorze. Tę wszechstronną technologię można wykorzystać do produkcji towarów, od artykułów modowych, artykułów spożywczych i zabawek po skomplikowane części do samolotów, a nawet całe korpusy i silniki rakiet.

Rodzaje technologii druku 3D.

• Modelowanie osadzania topionego tworzywa (FDM): Jedną z najczęściej stosowanych procedur drukowania 3D jest wytłaczanie ze stopu, powszechnie określane jako modelowanie osadzania topionego tworzywa (FDM). Aby zbudować pożądany obiekt, wiele warstw gorącego włókna termoplastycznego stapia się i wytłacza przez podgrzewaną dyszę. Za pomocą tej techniki można wytwarzać różne materiały, takie jak kwas polimlekowy (PLA), kompozyty metal-polimer, kompozyty polimerowe wzmocnione włóknem, materiały ceramiczne, kompozyty ceramika-polimer i wiele różnych rodzajów materiałów kompozytowych. Duża różnorodność włókien o różnych właściwościach, w tym wytrzymałości, elastyczności, odporności na temperaturę i przewodności, jest obecnie dostępna dzięki rozwojowi technologii modelowania osadzania topionego tworzywa (FDM), skoncentrowanej na projektowaniu drukarek, technologiach wytłaczarek i możliwościach materiałowych. Ze względu na swoje możliwości adaptacyjne, FDM może być wykorzystywane do szybkiego prototypowania, komponentów funkcjonalnych, narzędzi, modeli architektonicznych i zastosowań instruktażowych, nawet w sektorach lotniczym i medycznym.
• Stereolitografia (SLA): W dziedzinie druku 3D stereolitografia (SLA) wykorzystuje laser UV do zestalenia ciekłej żywicy fotopolimerowej warstwa po warstwie, tworząc solidne obiekty o doskonałym połysku powierzchni i wysokiej rozdzielczości. Szczególnie dobrze sprawdza się przy projektowaniu skomplikowanych prototypów i produkcji małoseryjnej. Znaczący postęp nastąpił w stereolitografii (SLA), która zapewnia obecnie większą dokładność, krótszy czas drukowania i szerszą gamę materiałów. Rozwój kompozycji żywic doprowadził do powstania żywic biokompatybilnych do zastosowań medycznych. W rezultacie SLA jest szeroko stosowana w wielu różnych gałęziach przemysłu do tworzenia skomplikowanych modeli, eleganckiej biżuterii, szczegółowych prototypów, sprzętu dentystycznego i medycznego, a także części niestandardowych.
• Cyfrowe przetwarzanie światła (DLP): Podobnie do stereolitografii (SLA), cyfrowe przetwarzanie światła (DLP) wykorzystuje żywicę fotopolimerową i światło ultrafioletowe. Zamiast lasera wykorzystuje jednak cyfrowy projektor światła, co pozwala na jednoczesne utwardzenie całej warstwy. Technologia cyfrowego przetwarzania światła (DLP) drukuje szybciej niż stereolitografia (SLA), choć jej rozdzielczość może być nieco gorsza. Badania nad technologią cyfrowego przetwarzania światła (DLP) skupiały się głównie na zwiększeniu możliwości materiałowych, zmniejszeniu grubości warstwy i zwiększeniu rozdzielczości. Szybkie prototypowanie, odlewanie biżuterii, zastosowania dentystyczne i tworzenie spersonalizowanych towarów konsumpcyjnych to obszary, w których stosowana jest ta technika.
• Ablacja laserowa: Ablacja to proces selektywnego usuwania materiału ze stałego bloku lub złoża proszku i formowania go w pożądany kształt za pomocą wiązki lasera o dużej mocy. Technologia ta jest często stosowana w sektorze lotniczym do produkcji skomplikowanych części metalowych. Techniki ablacji laserowej stają się coraz bardziej zaawansowane, co zaowocowało większą precyzją i szybszymi prędkościami przetwarzania. Obecne badania skupiają się przede wszystkim na optymalizacji pracy lasera i doskonaleniu technik usuwania materiału.
• Polimeryzacja fotonowa: To technika wykorzystująca wiązki laserowe o dużej intensywności do polimeryzacji ciekłej żywicy, często wspomaganej fotoczułym inicjatorem. Technologia ta pozwala na precyzyjną kontrolę podczas procesu utwardzania i jest szeroko stosowana do wytwarzania precyzyjnych struktur w zastosowaniach biologicznych. Dzięki postępowi w procesach polimeryzacji fotonowej wyłoniły się rozdzielczości submikronowe dzięki ulepszonym właściwościom materiałów. Naukowcy w dalszym ciągu badają dodatkowe materiały światłoczułe i dodatki funkcjonalne, aby poszerzyć potencjalne zastosowania tej technologii. Obecnie technologia jest wykorzystywana do tworzenia skomplikowanych struktur, mikrooptyki, rusztowań inżynierii tkankowej i innych celów produkcyjnych o wysokiej precyzji.

Popularne materiały w produkcji przyrostowej 3D.

Polimery.

Polimery to materiały często wykorzystywane w druku 3D ze względu na ich wszechstronność, przystępność cenową i łatwość użycia. Składają się z materiałów, które można stopić i wytłaczać w różne kształty, takich jak tworzywa sztuczne, żywice i materiały podobne do gumy. Technologia modelowania osadzania topionego (FDM) jest najpopularniejszą metodą druku 3D na bazie polimerów. Istnieje wiele rodzajów polimerów stosowanych w druku 3D, każdy z nich ma swoje unikalne właściwości i zastosowania. Materiały do druku 3D FDM dostępne są w postaci filamentów o średnicy 1,75 mm lub 2,85 mm.

• Jednym z najpopularniejszych materiałów polimerowych stosowanych w tej technologii druku 3D jest kwas polimlekowy (PLA). Zastosowania PLA w druku 3D obejmują prototypowanie, modele, przedmioty artystyczne, artykuły gospodarstwa domowego, zabawki odporne na zużycie, opakowania i zastosowania biomedyczne. Oferuje takie zalety, jak prosty druk, szeroka gama kolorów i wzorów oraz „biodegradowalność”. Ma również pewne wady, takie jak kruchość i słabe właściwości mechaniczne. Najważniejszą cechą materiału PLA (kwasu polimlekowego) do druku 3D jest jego szerokie zastosowanie w technologii FDM ze względu na niską temperaturę topnienia, brak toksyczności, brak podrażnień i biokompatybilność.
• Innym popularnym polimerem do druku 3D jest ABS, czyli akrylonitryl-butadien-styren. ABS idealnie nadaje się do różnych zastosowań, w tym do osłon urządzeń, zabawek, uchwytów narzędzi, elementów wyposażenia samochodów i obudów elektrycznych ze względu na jego dobre właściwości mechaniczne, takie jak odporność na uderzenia, ciepło, chemikalia i ścieranie. ABS musi być drukowany na podgrzewanym stole drukarskim z klejem do podłoża, ponieważ jest podatny na wypaczenia.
• Coraz popularniejszym materiałem do druku 3D jest politereftalan etylenu (PETG), odmiana politereftalanu etylenu (PET). PETG nadaje się do zastosowań obejmujących części mechaniczne, części drukarek i elementy ochronne, ponieważ jest elastyczny, mocny i łatwy w drukowaniu. Jednakże politereftalan etylenu (PETG) jest podatny na wilgoć i łatwo ulega zarysowaniu.
• Powszechnym polimerem stosowanym w druku 3D jest nylon, czasami określany jako poliamid (PA). Wysoki poziom wytrzymałości, elastyczności i trwałości sprawia, że idealnie nadaje się do zastosowań wymagających trwałych części, takich jak narzędzia, działające prototypy lub komponenty mechaniczne.
• Jednym z najtwardszych i najbardziej sprężystych polimerów stosowanych w druku 3D jest poliwęglan (PC). Wytrzymuje temperatury do 110°C, jest odporny na ciepło i uszkodzenia fizyczne. Poliwęglan jest często stosowany w zastosowaniach takich jak elementy elektryczne, mechaniczne lub samochodowe, gdzie niezbędna jest wytrzymałość i wytrzymałość. Parametry grubości warstwy i gęstości wypełnienia w druku 3D mają duży wpływ na wydajność elementów poliwęglanowych, które zostały wyprodukowane techniką wytłaczania materiału.
• Elastyczne polimery stosowane w druku 3D obejmują elastomery termoplastyczne (TPE), termoplastyczny poliuretan (TPU) i kopoliester termoplastyczny (TPC). Materiały te są niezwykle elastyczne i trwałe, mają właściwości podobne do gumy. Są często wykorzystywane w produktach takich jak części samochodowe, sprzęt gospodarstwa domowego i materiały medyczne, które wymagają części, które mogą się zginać lub ściskać.
• Polistyren wysokoudarowy (HIPS) to kopolimer łączący w sobie wytrzymałość gumy na rozciąganie i twardość polistyrenu. Jest często stosowany w opakowaniach i pojemnikach ochronnych, a w połączeniu z ABS, jako materiał pomocniczy w druku 3D. Zaletą HIPS jest to, że jest niezawodnym filamentem do drukarek 3D i odpowiednim materiałem nośnym. Należy go jednak poddać obróbce końcowej w celu usunięcia podpór i jest kompatybilny tylko z ABS.
• Precyzyjne tworzywo konstrukcyjne o niskim współczynniku tarcia nazywa się acetalem (POM). Do zastosowań praktycznych jest idealny, ponieważ ma dobrą odporność na ciepło i chemikalia. Wymaga jednak wysokiej temperatury podłoża drukującego i może powodować problemy z przyczepnością pierwszej warstwy.
• Rozpuszczalny w wodzie alkohol poliwinylowy (PVA) jest często stosowany jako materiał podporowy w skomplikowanych drukach 3D z nawisami. Filament PVA jest doskonałym materiałem nośnym, chociaż może być trudny w obróbce i jest wrażliwy na wilgoć. Wzrost popularności alkoholu poliwinylowego w druku 3D/4D wynika między innymi z jego odpowiedniej płynności, biodegradowalności i opłacalności.
• Akrylonitryl-styren-akrylan (ASA) to materiał, który jest odporny na warunki środowiskowe i idealnie nadaje się do zastosowań praktycznych, szczególnie w sektorze motoryzacyjnym. Ze względu na doskonałą odporność na promieniowanie UV, stabilność termiczną i trwałość, filament ASA idealnie nadaje się do różnych zastosowań, takich jak sekcje narażone na działanie promieni słonecznych i trudne warunki, ponieważ może przetrwać warunki zewnętrzne bez znaczącej degradacji.
• Zarówno w tworzywach konstrukcyjnych, jak i w opakowaniach do żywności wykorzystuje się trwałe, elastyczne, odporne chemicznie i bezpieczne dla żywności polimery polipropylenowe (PP). Silne właściwości mechaniczne, wysoka odporność chemiczna i niskie tarcie sprawiają, że włókno PP jest idealne do części funkcjonalnych, które muszą być trwałe, odporne na chemikalia i odporne na zużycie.
• Stop (PC/ABS) łączy w sobie elastyczność ABS z wytrzymałością i odpornością na ciepło poliwęglanu. Jest często stosowany w telekomunikacji, elektronice i przemyśle motoryzacyjnym. Funkcjonalne prototypy i produkty końcowe w małych partiach są najskuteczniej wytwarzane przy użyciu materiałów PC/ABS. Jednakże PC/ABS jest wrażliwy na wilgoć i wymaga wysokich temperatur dla dyszy i stołu drukującego.
  Sztywny, odporny na uderzenia i przezroczysty materiał stosowany jako lekki substytut szkła to polimetakrylan metylu (PMMA), często nazywany akrylem lub pleksiglasem. Włókno PMMA jest kruche, półprzezroczyste i odporne na uderzenia. PMMA jest jednak sztywny, może być podatny na wypaczenia i wymaga wysokiej temperatury druku.

Kompozyty wzmocnione włóknem.

Materiały kompozytowe składają się z dwóch lub więcej substancji o połączonych właściwościach, które różnią się od oryginalnych składników. Zwykle składają się z matrycy i wzmocnienia, takiego jak włókno węglowe lub włókno szklane. Ta kombinacja materiałów pozwala kompozytom przewyższać tworzywa termoplastyczne przy zachowaniu niskiej gęstości. W rzeczywistości wiele układów włókien węglowych jest mocniejszych niż stal przy jednej dziesiątej masy. Ostatnio w kompozytowym druku 3D zastosowano kilka materiałów, takich jak tworzywa termoplastyczne na bazie nylonu i włókna ciągłe, w tym włókno szklane, włókno węglowe, wysokotemperaturowe włókno szklane o wysokiej wytrzymałości i materiały kevlarowe. Wysokowytrzymałe, wysokotemperaturowe włókno szklane jest bardzo odporne na ciepło i może być stosowane do drukowanego w 3D osprzętu spawalniczego. Włókno szklane jest czterokrotnie mocniejsze i 11 razy sztywniejsze niż materiał ABS, co pozwala na drukowanie w 3D narzędzi przemysłowych, osprzętu i części roboczych, podczas gdy włókno węglowe jest najsilniejszym i najsztywniejszym włóknem wzmacniającym, a stosunek wytrzymałości do masy jest prawie dwukrotnie większy niż dla aluminium. Kevlar może odkształcać się aż do momentu, gdy włókna pojedynczo zaczną pękać, co czyni go idealnym do zastosowań wymagających wielu jednoczesnych ruchów i kontaktu z innymi częściami.

Metale.

Szybko rozwijająca się dziedzina druku 3D z metalu, zyskała w ostatnich latach popularność. Do najczęściej stosowanych materiałów w druku 3D metali zaliczają się stopy kobaltowo-chromowe, stal nierdzewna 316L, aluminium6061, tytan, stop Ti 6A l4V, Inconel, złoto/srebro, tantal, Hastelloy, nikiel chrom, stopy wolframu i miedź. Metale te są szeroko stosowane w automatyce, służbie zdrowia i przemyśle lotniczym. Stal nierdzewna jest wysoce odporna na korozję i ma wyjątkową wytrzymałość, gdy nie jest porowata. Tytan i Ti 64 to metale lekkie i wytrzymałe. Aluminium 7075, 4047, 6061, 2319 i 4043 to lekkie i wszechstronne metale, natomiast Inconel ® 718 i 625 to odporne na wysokie temperatury, korozję stopy niklowo-chromowe. Kobalt-chrom jest kompatybilny biologicznie i odporny na korozję, dzięki czemu jest przydatny w zastosowaniach medycznych. Złoto jest wysoce przewodzące i odporne na korozję, a tantal jest stosowany u ludzi do naprawy uszkodzeń tkanek twardych poprzez systemy dostarczania leków. Hastelloy to nadstop na bazie niklu, często stosowany jako materiał konstrukcyjny w komorach spalania. Wolfram jest przydatny w osłonach radiacyjnych, kolimatorach i częściach silników. Ponieważ miedź jest doskonałym przewodnikiem prądu i ciepła, jest doskonałym materiałem do wielu zastosowań, takich jak przemysł lotniczy, systemy grzewcze i chłodnicze, cewki indukcyjne oraz komponenty elektryczne i elektroniczne. Wszystkie te rodzaje metali są kompatybilne z technologiami selektywnego topienia laserowego (SLM) lub bezpośredniego druku metali (DMP).

Inteligentne materiały.

Inteligentne materiały mogą zmieniać swoje właściwości lub zachowanie w reakcji na czynniki środowiskowe, takie jak temperatura, ciśnienie, światło czy pola magnetyczne, elektryczne. Zmiany te mogą nastąpić w ciągu kilku sekund lub milisekund. Inteligentne materiały można stosować w procesach drukowania 3D, takich jak stereolitografia (SLA) i modelowanie osadzania topionego (FDM), w celu tworzenia obiektów z możliwością pamięci kształtu. Materiały te spełniają wymagania użytkowników, są niezwykle elastyczne i zapewniają nieograniczone możliwości. Istnieje kilka rodzajów inteligentnych materiałów, a każdy z nich ma szczególne właściwości i zastosowania.

• Stopy z pamięcią kształtu: To metale posiadające fascynującą zdolność zapamiętywania swojego pierwotnego kształtu. Dlatego też, jeśli zostaną zniekształcone, można przywrócić im pierwotny kształt poprzez ogrzewanie lub chłodzenie. Nitinol, stop składający się z niklu i tytanu, jest dobrze znanym materiałem z pamięcią kształtu. Wchodzi w skład narzędzi chirurgicznych i wszczepialnego sprzętu medycznego. Implanty te można ściskać, a następnie podgrzewać przed wprowadzeniem do organizmu, aby przywrócić ich pierwotną formę i funkcjonalność.
• Ferrofluidy: Ferrofluid to substancja złożona z drobnych cząstek magnetycznych unoszących się w cieczy. Cząsteczki wyrównują i usztywniają substancję pod wpływem pola magnetycznego. Aby dokładnie regulować ruch membrany głośnika, w głośnikach często stosuje się ferrofluid. Dodatkowo można go również używać do uszczelniania przedmiotów.
• Płyny magnetoreologiczne: Podobnie jak ferrociecze, płyny magnetoreologiczne (MR) składają się z maleńkich cząstek ulegających magnesowaniu. Jednakże w porównaniu do ferrocieczy cząstki materiału magnetoreologicznego są większe. W hamulcach i adaptacyjnych układach tłumienia często wykorzystuje się te materiały.
• Polimery elektroaktywne: Pod wpływem pola elektrycznego polimery elektroaktywne (EAP), które są materiałami inteligentnymi, zmieniają swoją strukturę, rozmiar lub objętość. Polimery elektroaktywne fascynują swoją niezwykłą elastycznością, dużą obciążalnością i krótkim czasem reakcji. Można je stosować w robotyce miękkiej, technologii pozyskiwania energii i sztucznych mięśniach. Polimery elektroaktywne są lekkie, charakteryzują się niskim zużyciem energii i są kompatybilne z różnymi procesami produkcyjnymi, co czyni je lepszymi w porównaniu z konwencjonalnymi siłownikami.
• Materiały piezoelektryczne: Te materiały mogą przekształcać energię mechaniczną w energię elektryczną i odwrotnie. Są powszechnie stosowane w czujnikach, siłownikach, przetwornikach i urządzeniach do gromadzenia energii. Materiały piezoelektryczne powodują separację ładunków elektrycznych pod wpływem naprężenia mechanicznego, podczas gdy pole elektryczne powoduje odkształcenie mechaniczne. Chociaż istnieją naturalne i sztuczne materiały piezoelektryczne, powszechnie stosuje się materiały sztuczne, takie jak tytanian cyrkonu ołowiu (PZT), ze względu na ich wysoką czułość i wysoki poziom sygnałów wyjściowych.
• Materiały chromogenne: Materiały te mają zdolność zmiany koloru lub właściwości optycznych w odpowiedzi na różne bodźce zewnętrzne, w tym pola elektryczne, ciepło, światło i naprężenia mechaniczne. Dobrze znanym przykładem są okulary przeciwsłoneczne z soczewkami fotochromowymi, które ciemnieją pod wpływem światła UV. Materiały chromogenne są stosowane w tuszach zabezpieczających, farbach wrażliwych na temperaturę i inteligentnych oknach, a także w innych zastosowaniach.

Fascynujący i ekscytujący świat inteligentnych materiałów pokazuje, że materiały to coś więcej niż tylko metale, minerały i tworzywa sztuczne. Inteligentne materiały mają wiele zalet, począwszy od materiałów samonaprawiających się, które automatycznie naprawiają się po uszkodzeniu, po inteligentne tkaniny, które w razie potrzeby mogą ogrzać lub ochłodzić człowieka. Rozwój inteligentnych materiałów będzie kontynuowany dzięki postępom w materiałoznawstwie i technologii, które umożliwią naukowcom projektowanie inteligentniejszych, bardziej adaptacyjnych i bardziej zrównoważonych rozwiązań.

Materiały ceramiczne.

Materiały ceramiczne dokonują postępów w dziedzinie druku 3D. Odporność na wysoką temperaturę, twardość i właściwości elektroizolacyjne ceramiki są od dawna cenione w konwencjonalnej produkcji. Materiały ceramiczne ze względu na swoją kruchość i wysokie wymagania produkcyjne powodują trudności w drukowaniu 3D. Ceramikę można obecnie wykorzystywać w druku 3D dzięki niedawnym osiągnięciom w technologiach wytwarzania przyrostowego, które usunęły te bariery. Proszki, pasty ceramiczne oraz filamenty kompozytowe ceramika-polimer są stosowane jako materiały wsadowe w ceramicznym druku 3D. Materiał ceramiczny jest osadzany i kształtowany warstwa po warstwie przy użyciu różnych procesów, w tym selektywnego topienia laserowego, stereolitografii, druku FDM i natryskiwania spoiwa. Złożone geometrie i szczegółowe projekty, które wcześniej były trudne do wytworzenia przy użyciu konwencjonalnych technik produkcji ceramiki, są teraz możliwe. Dodatkowo ceramiczny druk 3D zapewnia opcje dostosowywania i optymalizacji projektu, umożliwiając wytwarzanie elementów ceramicznych o wyspecjalizowanych właściwościach i funkcjach. Wydajność, gęstość i wytrzymałość drukowanych elementów ceramicznych można dodatkowo poprawić za pomocą metod przetwarzania końcowego, takich jak spiekanie. Chociaż nadal istnieją trudności, takie jak wytwarzanie elementów o dużej gęstości bez wad i przyspieszanie produkcji, ceramiczny druk 3D staje się coraz lepszy.

Materiały stosowane w bioinżynierii.

Biotusze to materiały wykorzystywane w druku 3D do tworzenia tkanek i narządów. Pełnią funkcję systemu wsparcia dla żywych komórek podczas drukowania. Hydrożele, takie jak alginian i żelatyna, a także polimery syntetyczne, takie jak PCL i PLA, są materiałami biotuszy. Zastosowanie biotuszu ma ogromny potencjał w terapiach spersonalizowanych o zwiększonym stężeniu, w celu kontrolowania uwalniania leków, badań przesiewowych leków. W większości przypadków preparaty są oparte na hydrożelu, ponieważ składają się z materiałów bogatych w wodę, które lepiej odtwarzają środowisko macierzy zewnątrzkomórkowej. Zastosowanie biokompatybilnych i biodegradowalnych składników, wraz z włączeniem komórek do bioatramentu, umożliwia drukowanie dostosowanych struktur lub tkanek skracających czas gojenia, a także minimalizujących ryzyko odrzucenia implantu i innych odpowiedzi immunologicznych. Obecnie biodruk 3D umożliwił wytwarzanie in vitro złożonych tkanek. Materiały bioinżynieryjne stosowane w druku 3D mają korzystne właściwości dla zdrowia człowieka. Są przyjazne dla naszych komórek, wspierają ich wzrost i rozwój, umożliwiają przepływ składników odżywczych i mogą bezpiecznie ulegać degradacji, nie powodując chorób u ludzi.

Zastosowania druku 3D.

Lotnictwo i obrona.

Zastosowanie technologii druku 3D w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym zostało powszechnie docenione. Od samego początku produkcja przyrostowa nie tylko służyła jako metoda szybkiego prototypowania umożliwiająca opłacalny rozwój produktów, ale miała także ogromny wpływ na projektowanie produktów, bezpośrednie wytwarzanie poszczególnych części oraz montaż i naprawę części nawet w środowisku przemysłowym sektora lotniczego. W porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji. AM tworzy mocniejsze i lżejsze produkty o doskonałych właściwościach mechanicznych. Technologia ta znalazła również zastosowanie w sektorze motoryzacyjnym, umożliwiając produkcję lżejszych części, podzespołów i prototypów samochodów w krótszym czasie realizacji. Co więcej, druk 3D może również efektywniej wytwarzać części zamienne.

Biomedycyna i opieka zdrowotna.

Od tworzenia niestandardowych protez i implantów po drukowanie prowadnic i narządów chirurgicznych, technologia druku 3D ma ogromną liczbę zastosowań w branży opieki zdrowotnej. Drukowanie 3D narządów wykazało znaczny postęp zarówno w modelach zwierzęcych, jak i ludzkich, torując drogę potencjalnemu rozwojowi w transplantologii i medycynie regeneracyjnej. Technologię tę wykorzystano także do produkcji leków spersonalizowanych, takich jak spersonalizowane pigułki o określonych dawkach i składnikach aktywnych. Dzięki możliwości tworzenia precyzyjnych i skomplikowanych struktur może zmienić sposób działania branży medycznej.

Przemysł spożywczy.

Przemysł spożywczy wykorzystał technologię druku 3D do tworzenia nowych i innowacyjnych produktów spożywczych. Ogólnie rzecz biorąc, druk 3D pozwala na tworzenie skomplikowanych kształtów i projektów, które w innym przypadku byłyby trudne do osiągnięcia tradycyjnymi metodami. Doprowadziło to do powstania nowatorskich i niepowtarzalnych przekąsek, deserów, a nawet kompletnych posiłków, które są zarówno estetyczne, jak i smaczne. Technologia ta ma również potencjał wytwarzania skomplikowanych kształtów geometrycznych w krótszym czasie, co ułatwia wytwarzanie zdrowszych produktów spożywczych z precyzyjną kontrolą użytych składników.

Branża motoryzacyjna.

Przemysł motoryzacyjny wykorzystuje druk 3D do tworzenia lżejszych i mocniejszych części do samochodów, co prowadzi do poprawy efektywności paliwowej i wydajności. Technologia pozwala także na szybkie prototypowanie i testowanie nowych projektów, minimalizując czas i wydatki potrzebne do wprowadzenia nowego produktu na rynek. Ponadto przy użyciu druku 3D produkowane są niestandardowe i specjalistyczne części w celu konserwacji samochodów unikalnych i zabytkowych, oferując właścicielom wygodniejszą opcję konserwacji pojazdów.

Architektura i Budownictwo.

Druk 3D zrewolucjonizował branżę architektoniczną i budowlaną, umożliwiając szybkie prototypowanie projektów budynków oraz tworzenie złożonych i skomplikowanych konstrukcji. Technologię wykorzystuje się także do tworzenia niestandardowych i unikalnych elementów budowlanych, takich jak panele ścienne i płytki, których nie da się wyprodukować konwencjonalnymi metodami. Dzięki możliwości tworzenia precyzyjnych i skomplikowanych konstrukcji druk 3D może zmienić sposób projektowania i budowania budynków. Aby osiągnąć ogólnoświatowy cel, jakim jest zmniejszenie emisji dwutlenku węgla, konieczne są nowe i nowatorskie metody konstrukcyjne. Technologie te powinny nie tylko promować praktyki budownictwa ekologicznego, ale także obniżać koszty tworzenia obiektów i zarządzania nimi, przy jednoczesnym zachowaniu przewagi konkurencyjnej.

Energia.

Wykorzystanie druku 3D do opracowania technologii konwersji energii może stanowić poważną zmianę. Mogłaby to być strategia niedroga, pozwalająca na wytwarzanie skomplikowanych projektów i poprawiającą wydajność na jednostkę masy i objętości. Można go używać do tworzenia skomplikowanych i dostosowanych do indywidualnych potrzeb komponentów systemów energii odnawialnej, takich jak turbiny wiatrowe i panele słoneczne. Dodatkowo możliwa jest redukcja odpadów i poprawa efektywności wytwarzania energii poprzez umożliwienie tworzenia precyzyjnych i zoptymalizowanych komponentów.

Udoskonalenia i ograniczenia.

• Zastosowania: Technologia druku 3D stała się powszechna w różnych gałęziach przemysłu, w tym w służbie zdrowia, przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i produkcyjnym. Jego główne zastosowania obejmują szybkie prototypowanie, oprzyrządowanie i produkcję części do użytku końcowego. Rozwój tej technologii jest wciąż w początkowej fazie i potrzebne są dalsze badania, aby odkryć jej pełny potencjał.
• Materiały: Materiały stosowane w technologii druku 3D obejmują tworzywa termoplastyczne, metale, ceramikę i kompozyty. Pomimo szerokiej gamy dostępnych materiałów, nadal istnieje potrzeba opracowania materiałów o wysokiej wytrzymałości i wysokiej temperaturze, które byłyby tańsze. Badania nad materiałami stale się rozwijają, ale nadal pozostaje wiele do zrobienia.
• Koszt i szybkość: Koszt i szybkość technologii druku 3D pozostają poważnymi wyzwaniami. Chociaż średni koszt drukarek 3D spadł w ostatnich latach, koszty materiałów i konserwacji pozostają wysokie zwłaszcza w technologiach wykorzystujących wiązki promieniowania wysokoenergetycznego. Ponadto, w porównaniu z konwencjonalnymi metodami produkcji, prędkość drukarek 3D jest nadal niska. Aby obniżyć ceny i zwiększyć prędkość technologii druku 3D, potrzebne będzie więcej eksperymentów i innowacji.
• Zrównoważony rozwój: Branża druku 3D koncentruje się na zrównoważonym rozwoju, opracowując materiały przyjazne dla środowiska i przyjmując modele gospodarki o obiegu zamkniętym. Jest to kluczowy obszar, który wymaga dalszych badań.

Ogólnie rzecz biorąc, chociaż technologia druku 3D znacznie się rozwinęła w ostatnich latach, nadal istnieje wiele wyzwań i możliwości, które wymagają dalszego rozwoju i badań. Oczekuje się, że produkcja przyrostowa będzie nadal rozwijana i udoskonalana, jednak pokonanie wyzwań, szczególnie tych związanych z kosztami i szybkością drukowania 3D, zajmie trochę czasu. W miarę jak technologia stanie się wydajniejsza, szybsza i tańsza, stanie się bardziej dostępna dla szerszego grona użytkowników na całym świecie. Ponadto branża skoncentruje się na zrównoważonym rozwoju, opracowywaniu materiałów przyjaznych dla środowiska i przyjmowaniu modeli gospodarki o obiegu zamkniętym. Ogólnie rzecz biorąc, przyszłość wytwarzania przyrostowego wygląda obiecująco, fascynujące będzie obserwowanie pojawienia się innowacji i nowych zastosowań w nadchodzących latach.

Obraz autorstwa Fanjianhua na Freepik.