Łodzie podwodne i FDM, czyli pianka syntaktyczna zoptymalizowana do druku 3D

Naukowcy z NYU Tandon School of Engineering we współpracy z hinduskim Narodowym Instytutem Technologii Karnataka w Surathkal opracowali sposób na druk 3D pianki syntaktycznej. Dzięki temu odkryciu możliwe będzie zwiększenie wytrzymałości łodzi podwodnych, a co za tym idzie – poznawanie dotąd nieodwiedzanych głębin morskich.

Pianka syntaktyczna to specjalny rodzaj materiału stosowanego w budowie statków, samolotów, a nawet pojazdów naziemnych, jednak największe znaczenie ma w umacnianiu okrętów podwodnych. Cechuje się dużą wytrzymałością przy jednocześnie niskiej wadze i wysokiej wyporności. Zbudowana jest z mikroskopijnych pustych w środku kuleczek zawieszonych w matrycy. Kuleczki mogą być wykonane ze szkła, czy tworzywa sztucznego, matrycą może być na przykład żywica epoksydowa.

Do tej pory, jeśli jakiś element musiał być wykonany z pianki, powstawał na wtryskarce. Jednak formowanie wtryskowe ma zasadniczą wadę: niemożliwe jest wykonanie  elementu w całości, konieczne jest łączenie części z pomocą klejów i mocowań. Miejsce zespolenia jest dużo słabsze niż sam piankowy komponent. Druk 3D komponentów z pianki syntaktycznej może pozwolić nie tylko na zrezygnowanie z osłabiających konstrukcję łączeń, ale i na stosowanie bardziej skomplikowanych kształtów, których uzyskanie na wtryskarce jest niemożliwe.

Nikhil Gupta, profesor nadzwyczajny, inżynier lotnictwa i mechaniki, wraz ze swoim zespołem opublikował dwie prace w czasopismach The Journal of the Minerals i Metals & Materials Society. Publikacje te są ściśle związane z możliwością wykorzystania technologii FDM w pracy z pianką. Pierwsza z nich opisuje opracowanie odpowiedniego filamentu, który pozwoli na zachowanie właściwości mechanicznych pianki również po jej ogrzaniu i przepuszczeniu przez dyszę. Celem było stworzenie mieszanki możliwie najlżejszej, a jednocześnie dość wytrzymałej, by mikrosfery nie pękały podczas druku. Naukowcy ostatecznie stworzyli filament HDPE40, w którego skład wchodzą mikrosfery o średnicy 0,04 – 0,07 mm z przetworzonego popiołu lotnego umieszczone w matriks z polietylenu o wysokiej gęstości.

Druga publikacja bezpośrednio odnosi się już do wykorzystania HDPE40 do drukowania w 3D komponentów i porównania właściwości mechanicznych wydruku z HDPE40, wydruku z polietylenu o wysokiej gęstości bez dodatków i wypraski. Do badania wykorzystano Creator Pro 3D od Flashforge. Jak się okazuje, wydruki mają właściwości porównywalne z elementami wykonanymi na wtryskarce.

Kolejnym etapem badań, według Gupty, będzie dalsza modyfikacja filamentu i jego właściwości z uwzględnieniem zastosowań takich jak budowa głębokowodnych okrętów.

Źródło: publikacja 1, publikacja 2  via engineering.nyu.edu