Nanotechnológia v 3D tlači budúcnosti

Čo znamená nanotechnológia v 3D tlači?

Bežná 3D tlač vytvára predmet podľa digitálneho modelu postupným ukladaním, vytvrdzovaním alebo spájaním materiálu po jednotlivých vrstvách. Tento proces sa označuje aj ako aditívna výroba. V porovnaní s obrábaním môže umožniť výrobu zložitejších tvarov s menším množstvom materiálového odpadu. Nanotechnológia v 3D tlači tento výrobný princíp rozširuje o materiály a štruktúry navrhované na nanometrovej úrovni.

Prepojenie s nanotechnológiou prebieha dvoma hlavnými spôsobmi.

Prvým je pridávanie nanočastíc do polymérov, živíc, kovových práškov alebo tlačových atramentov. Výsledkom sú nanokompozity, ktorých vlastnosti môžu byť výrazne odlišné od vlastností základného materiálu.

Druhým smerom je tlač samotných štruktúr s mimoriadne malými detailmi. Výskumné metódy už dokážu vytvárať objekty s rozmermi v stovkách nanometrov. Pri vybraných postupoch bola dosiahnutá šírka tlačených línií približne 450 nanometrov a vertikálne rozlíšenie vrstvy na úrovni niekoľkých nanometrov.

Nanotechnológia v 3D tlači teda môže ovplyvniť nielen materiál, z ktorého sa tlačí, ale aj samotnú presnosť výroby.

Aké nanomateriály možno použiť pri 3D tlači?

Výber nanomateriálu závisí od požadovanej funkcie výsledného výrobku. Nestačí však nanočastice jednoducho primiešať do plastu alebo živice. Musia byť rovnomerne rozptýlené a nesmú narušiť tok materiálu, vytvrdzovanie ani presnosť tlače. Úspešná nanotechnológia v 3D tlači preto vyžaduje presne kontrolované zloženie tlačového materiálu.

Medzi skúmané materiály patria najmä:

Výskum polymérnych nanokompozitov sa zameriava na zlepšenie mechanických, elektrických, tepelných aj biologických vlastností vytlačených objektov. Takéto materiály môžu nájsť uplatnenie v senzoroch, elektronike a biomedicíne. Práve v tejto oblasti môže nanotechnológia v 3D tlači priniesť materiály navrhnuté pre konkrétnu funkciu.

Dôležitým problémom zostáva zhlukovanie nanočastíc. Ak sa častice spoja do väčších zhlukov, materiál môže mať nerovnomerné vlastnosti, môže upchávať tlačovú dýzu alebo nesprávne reagovať na svetlo pri fotopolymerizácii.

Aké výhody prináša nanotechnológia v 3D tlači?

Najväčšou výhodou, ktorú prináša nanotechnológia v 3D tlači, je možnosť kombinovať tvar výrobku s jeho funkčnými vlastnosťami. Predmet tak nemusí byť iba pasívnou mechanickou súčiastkou.

Nanokompozitný materiál môže byť napríklad elektricky vodivý, citlivý na tlak alebo schopný odvádzať teplo. Výrobca môže vytlačiť kryt, konštrukciu a funkčný prvok v rámci jedného výrobného procesu. Vďaka tomu môže nanotechnológia v 3D tlači znižovať počet následných výrobných a montážnych krokov.

Pevnejšie a ľahšie diely

Nanočastice môžu spevniť polymérnu alebo kovovú matricu bez výrazného zvýšenia hmotnosti. Výsledné materiály sú zaujímavé pre dopravu, robotiku, letectvo a výrobu ľahkých konštrukcií.

Pri kovovej 3D tlači môžu rozptýlené nanočastice ovplyvniť spracovanie materiálu aj výslednú mikroštruktúru. Výskum ukázal, že nanokompozitné hliníkové prášky môžu zlepšiť absorpciu laserovej energie počas tlače.

Vodivé a inteligentné materiály

Vodivé nanokompozity môžu byť základom pre malé senzory, antény, elektródy alebo prvky nositeľnej elektroniky. Vývoj fotopolymerizačnej tlače s vodivými nanokompozitmi rozširuje možnosti výroby zložitých funkčných súčiastok priamo z digitálneho návrhu. Nanotechnológia v 3D tlači tak môže prepájať výrobu konštrukcie s elektronikou a senzorikou.

Presnejšia výroba

Mikro- a nanometrová 3D tlač umožňuje vytvárať štruktúry, ktoré by sa bežnými výrobnými metódami vyrábali veľmi ťažko. Uplatnenie môže nájsť v optike, mikroelektronike, mikrofluidike a pri výrobe miniatúrnych zdravotníckych zariadení.

Výskumníci už predstavili litografické procesy na výrobu kovových nanoarchitektúr s rozlíšením približne 100 nanometrov. Aj v tomto smere nanotechnológia v 3D tlači posúva hranice dosiahnuteľnej výrobnej presnosti.

Prečítajte si aj: Nanomateriály pre vodíkové technológie

Využitie v medicíne, elektronike a priemysle

Medicína a regenerácia tkanív

V medicíne môže 3D tlač vytvárať individuálne implantáty, tkanivové nosiče, modely orgánov alebo systémy na riadené uvoľňovanie liečiv. Nanomateriály môžu upraviť povrchové vlastnosti, biokompatibilitu alebo reakciu buniek na vytlačenú štruktúru. Nanotechnológia v 3D tlači môže zároveň pomôcť prispôsobiť vlastnosti zdravotníckeho výrobku konkrétnej aplikácii.

Výskum fotopolymerizačnej 3D tlače sa zaoberá aj biokompatibilnými a biologicky odbúrateľnými materiálmi určenými na dopravu liečiv.

Klinické použitie však vyžaduje dôkladné testovanie toxicity, stability a správania materiálu v ľudskom organizme. Výsledok z laboratória preto nemožno automaticky považovať za bezpečný zdravotnícky výrobok.

Elektronika a senzory

Nanotechnológia v 3D tlači môže zjednodušiť výrobu malých elektronických prvkov priamo na požadovanom mieste. Tlačiť možno vodivé dráhy, elektródy, senzory tlaku, teplotné snímače alebo komponenty pre monitorovanie zdravotného stavu.

Výhodou je možnosť prispôsobiť tvar konkrétnemu zariadeniu. Senzor môže kopírovať zakrivený povrch, byť súčasťou konštrukcie alebo vzniknúť priamo na hotovom diele.

Letecký, automobilový a energetický priemysel

Priemysel potrebuje súčiastky, ktoré sú ľahké, pevné, tepelne odolné a vyrobiteľné v malých sériách. Práve tu sa spájajú hlavné výhody aditívnej výroby a nanokompozitov. Nanotechnológia v 3D tlači môže byť výhodná najmä pri dieloch s náročnou geometriou a vysokou pridanou hodnotou.

Potenciálne využitie zahŕňa tepelné výmenníky, ochranné kryty, konštrukčné výstuhy, batériové komponenty, elektródy alebo diely s integrovanými senzormi. Reálnemu nasadeniu však musí predchádzať overenie opakovateľnosti výroby a dlhodobej životnosti.

Najväčšie prekážky ďalšieho vývoja

Hoci nanotechnológia v 3D tlači ponúka veľký potenciál, priemyselné využitie stále obmedzuje niekoľko problémov.

Najväčšou výzvou je rovnomerné rozptýlenie nanočastíc. Zmena koncentrácie môže ovplyvniť viskozitu, vytvrdzovanie, pevnosť aj vodivosť materiálu. Výsledok preto závisí od presného zloženia a nastavenia tlačového procesu. Bez stabilného materiálu nemôže nanotechnológia v 3D tlači poskytovať rovnaké vlastnosti pri každom výrobnom cykle.

Problémom je aj kontrola kvality. Chyba ukrytá vo vnútri mikroskopickej štruktúry nemusí byť viditeľná bežnou kontrolou. Pri výrobe súčiastok pre zdravotníctvo, letectvo alebo energetiku je však potrebné presne vedieť, či má každý výrobok požadované vlastnosti.

Ďalšou témou je bezpečnosť. Voľné nanočastice môžu predstavovať riziko pri vdýchnutí alebo nesprávnej manipulácii. Výrobné pracoviská preto potrebujú uzavreté procesy, odsávanie, vhodné ochranné pomôcky a jasné pravidlá pre skladovanie a likvidáciu materiálov.

Rozšírenie technológie bude závisieť aj od meracích postupov, noriem a priemyselných štandardov. Podľa amerického Národného inštitútu pre štandardy a technológie sú spoľahlivé merania a normy dôležité pre širšie prijatie aditívnej výroby v priemysle. Viac informácií poskytuje prehľad aditívnej výroby organizácie NIST.

Ako môže vyzerať 3D tlač budúcnosti?

Budúcnosť pravdepodobne nebude založená iba na rýchlejšej tlači. Dôležitejšia bude schopnosť kombinovať viac materiálov a funkcií v jednom výrobku. Nanotechnológia v 3D tlači môže byť základom tejto novej generácie výrobných procesov.

Jedna časť súčiastky môže byť pevná, ďalšia pružná a vnútorná vrstva elektricky vodivá. Do konštrukcie bude možné vložiť senzor bez dodatočnej montáže. Výrobok môže reagovať na tlak, teplo, svetlo alebo chemické prostredie. Takto navrhnutá nanotechnológia v 3D tlači môže spájať viac funkcií v jedinom vytlačenom objekte.

Výskum sa už venuje kombinovaniu viacerých tlačových a laserových procesov, ktoré umožňujú umiestňovať funkčné materiály do presne určených častí trojrozmerného objektu.

To však neznamená, že tradičná výroba zanikne. Nanotechnológia v 3D tlači bude najvýhodnejšia tam, kde má vysokú hodnotu individuálny návrh, zložitý tvar, nízka hmotnosť alebo integrovaná funkcia. Pri jednoduchých výrobkoch vo veľkých sériách môžu zostať klasické výrobné metódy lacnejšie a rýchlejšie.

Ďalšie informácie o vývoji nanomateriálov, inteligentných povrchov a moderných výrobných metód nájdete v sekcii Nano Magazín.

Záver

Nanotechnológia v 3D tlači mení tento nástroj na výrobu tvarov na platformu pre výrobu funkčných materiálov a zariadení. Nanokompozity môžu priniesť vyššiu pevnosť, vodivosť, tepelnú stabilitu alebo biologické vlastnosti. Mikro- a nanometrová tlač zároveň umožňuje vytvárať štruktúry, ktoré boli ešte donedávna prakticky nevyrobiteľné.

Rozhodujúce však bude zvládnutie bezpečnosti, kontroly kvality, opakovateľnosti a nákladov. Budúcnosť tejto oblasti preto nebude závisieť iba od presnejších tlačiarní, ale najmä od lepších materiálov, meracích metód a dôveryhodných výrobných štandardov. Ak sa tieto prekážky podarí vyriešiť, nanotechnológia v 3D tlači môže významne ovplyvniť budúcnosť modernej výroby.