Tak wygląda proces druku 3D z grafenu!

Grafen to materiał przyszłości, który może wynieść technologię druku 3D na zupełnie nowe wyżyny. Choć w dalszym ciągu jego produkcja jest związana w wieloma wyzwaniami, które próbują być przezwyciężone przez wiele firm i ośrodków badawczych na świecie (w tym naukowców Politechniki Łódzkiej), od kilku lat prowadzone są próby implementacji tego niezwykłego materiału w technologii druku 3D. Po raz pierwszy pisałem na temat tych starań jesienią 2013 roku, a niedawno Marcin informował o nowym nylonie od Taulmana, który jest uszlachetniony grafenem. Niedawno zespół badawczy wchodzący w skład Wydziału Materiałów w Imperial College w Londynie (tego samego, którego studenci stworzyli urządzenie drukujące gumę do żucia opisywane w poprzednim artykule) opracowali metodę drukowania z grafenu opartą o FDM.

Najpierw ciekawostka: grafen to materiał, którego istnienie było jeszcze niedawno wręcz kwestionowane! Po raz pierwszy koncepcja grafenu pojawiła się w opracowaniach Kanadyjczyka PR Wallace`a, który w 1947 roku stworzył opis teoretyczny tego materiału. Miał on przypominać wizualnie plaster miodu i mieć jednoatomową grubość, tworząc tzw. „strukturę dwuwymiarową„. Świat nauki nie pozostał wobec tego obojętny, udowadniając w licznych pracach, iż jest to niemożliwe. Na przestrzeni kolejnych lat temat był podejmowany przez pojedynczych naukowców, jednakże nikomu nie udało się osiągnąć niczego przełomowego. To zmieniło się dopiero w 2004 roku, gdy naukowcy z Georgii w USA i Manchesteru w UK stworzyli materiał posiadający własności grafenu, znany do tej pory wyłącznie z naukowych opracowań. Sześć lat później, w 2010 roku Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z uniwersytetu w Manchesterze otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za swoje badania nad tym niezwykłym materiałem.

Czym jest grafen? Jego zaletą są jego niewiarygodne, praktycznie wykluczające się nawzajem właściwości fizyczne. Jest najcieńszym znanym nauce materiałem o równocześnie najwyższej wytrzymałości – 200 razy większej od stali. Jest całkowicie przezroczysty, jednakże na tyle gęsty, że nie przepuści nawet jednego atomu helu. Rozciąga się do 20% swojej powierzchni bez utraty swoich właściwości. Dodatkowo przewodzi prąd równie dobrze jak miedź. Jeżeli zacznie być wykorzystywany w produkcji, zrewolucjonizuje świat na podobnym poziomie, jak w czasach przedhistorycznych uczyniło to odkrycie żelaza.

Do tej pory grafen pozyskiwano na dwa sposoby: mechaniczne odrywano go za pomocą taśmy klejącej z wysokiej jakości grafitu lub osadzano go na metalach z fazy gazowej. W pierwszym przypadku proces jest dość prosty, lecz bardzo mało efektywny – pozyskany materiał nadaje się co najwyżej do prac badawczych. W drugim przypadku technologia pozyskania materiału jest tańsza, niestety jego jakość jest bez porównania gorsza. Tak czy inaczej w obydwu przypadkach pozyskany grafen nie nadaje się do produkcji przemysłowej zarówno pod kątem jakościowym jak i ilościowym. To uległo zmianie pod koniec 2013 roku, gdy polscy naukowcy z Politechniki Łódzkiej wspólnie z warszawskim Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych i firmą Seco-Warwick ze Świebodzina, opracowali nowatorską technologię opierającą się na osadzaniu chemicznym, pozwalającą na wytworzenie grafenu wysokiej jakości przy niskich kosztach. Teraz naukowcy brytyjskiej uczelni wyższej opracowali metodą drukowania 3D z wykorzystaniem tego materiału. Zespół badawczy, w skład którego wchodzą doktorzy Esther Garcia Tunon Blanca, Suelen Barg, Victoria Garcia Rocha oraz profesor Eduardo Saiz Gutierrez, współpracował z zespołami z Uniwersytetu w Warwick, Uniwersytetu w Bath i Universidad de Santiago de Compostela. Efekty swoich prac opublikował w specjalistycznym periodyku Advanced Materials w styczniu tego roku.

Od samego początku celem było stworzenie metody pozwalającej na druk 3D z samego grafenu a nie materiału kompozytowego, który by zawierał jego fragmenty. Zespół postanowił wykorzystać do procesu druku 3D technologię DIW (direct ink writing), która przypomina dość mocno FDM. Opracował w tym celu specjalny filament, składający się z płatków chemicznie modyfikowanego grafenu zmieszanego z responsywnym polimerem, który może być indukowany w celu wywołania określonych zachowań. W tym przypadku zapewnił, że cząsteczki grafenu miały odpowiedni poziom lepkości i sprężystości, a także umożliwiał łączenie ich z niższymi i wyższymi warstwami. Końcowy produkt przypomina nieco tradycyjny filament ABS lub PLA – jest ekstrudowany przez głowicę, a kolejne warstwy modelu spajają się ze sobą. Aktualnie do druku 3D wykorzystywane są głowice o średnicy 100 mikronów (0,1 mm).

Chociaż zespół osiągnął duży sukces, jego lider – Esther Garcia Tunon Blanca zaznacza, że proces ma wciąż wiele niedoskonałości i stoi przed nim jeszcze wiele wyzwań do rozwiązania. Póki co udało się po prostu przeprowadzić proces samego druku 3D – teraz trzeba doprowadzić do tego, aby za jego pomocą można było tworzyć funkcjonalne komponenty, możliwe do instalacji w urządzeniach. Jeśli uda się to osiągnąć wkroczymy w zupełnie nową erę technologii.