Para peneliti di City University of Hong Kong (CityU) telah menemukan cara untuk membuat bagian kisi polimer cetak 3D 100 kali lebih kuat dari sebelumnya.
Dibandingkan dengan perlakuan panas tradisional yang memperkuat benda-benda cetak plastik dengan mengorbankan deformabilitas, pendekatan CityU hanya mengkarbonisasi sebagian untuk membuatnya lebih kuat dan dua kali lebih ulet. Dengan menggunakan proses mereka, tim mengatakan, adalah mungkin untuk mencapai pencetakan 3D yang kompleks dengan sifat mekanik yang disesuaikan dengan aplikasi tertentu, seperti stent koroner atau bioimplant.
"Sungguh menakjubkan bahwa kami telah menemukan cara untuk mengubah fotopolimer cetak 3D yang rapuh dan rapuh menjadi struktur 3D ultra-tangguh yang menyaingi logam dan paduan hanya dengan memanaskannya dalam kondisi yang tepat," kata profesor CityU Lu Yang. "Pekerjaan kami menyediakan rute berbiaya rendah, sederhana, dan dapat diskalakan untuk membuat metamaterial mekanis yang ringan, kuat, dan mudah dibentuk dengan hampir semua geometri."
Mengejar "Cawan Suci" Material
Menurut para ilmuwan CityU, pengembangan polimer yang ringan, namun berkekuatan sangat tinggi dan ulet pada saat yang sama dianggap sebagai "cawan suci" dari penelitian dan pengembangan bahan, tetapi sifat-sifat ini seringkali "saling eksklusif".
Ini karena pirolisis, sebuah proses yang biasa digunakan untuk mengubah bagian plastik menjadi karbon yang diperkuat dengan memanaskan dalam atmosfer lembam, menghilangkan hampir semua deformabilitas polimer asli. Sementara tim mengakui bahwa metode penguatan plastik lainnya ada, mereka mengatakan ini juga menghasilkan "kerapuhan yang melekat dan ketangguhan rendah" yang "membatasi aplikasi struktural [dari bagian akhir]".
Secara khusus, kekurangan ini membatasi fabrikasi bagian-bagian dari "metamaterial," yang dirancang untuk memiliki sifat yang tidak ditemukan dalam bahan baku alami. Iterasi tertentu dari ini dapat digunakan untuk membuat kisi mikro yang menggabungkan desain struktural ringan dengan kualitas bahan yang terbuat dari mereka, tetapi para peneliti mengatakan kemampuan pencetakan 3D mereka masih terbatas.
"Komponen arsitektur yang kuat dan tangguh seringkali membutuhkan logam atau paduan untuk pencetakan 3D, tetapi mereka tidak tersedia karena biaya tinggi dan resolusi rendah dari printer 3D logam komersial dan bahan baku," tambah Yang. "Polimer lebih mudah tersedia, tetapi seringkali tidak memiliki kekuatan atau ketangguhan mekanis."
Kembangkan polimer yang 100 kali lebih keras
Dalam proses mempelajari kisi polimer cetak 3D, tim CityU mengatakan mereka telah menemukan cara untuk memanaskannya ke keadaan karbonisasi parsial yang "seperti sihir". Dengan hati-hati mengontrol laju pemanasan, suhu, durasi, dan lingkungan gas dari proses pirolisis, para ilmuwan menemukan bahwa kekakuan, kekuatan, dan keuletan kisi mikro dapat ditingkatkan dalam satu langkah.
Para peneliti membuat penemuan ini melalui serangkaian teknik karakterisasi yang mengungkapkan bahwa pemanasan yang lambat menyebabkan rantai polimer material mengalami transformasi yang tidak lengkap selama transformasi pirolitik. Ini menciptakan bahan hibrida di mana fragmen karbon yang diperkuat secara struktural dan rantai polimer yang terhubung silang secara longgar yang mencegah komposit retak hidup berdampingan secara sinergis.
Melalui R&D lebih lanjut, para peneliti melanjutkan untuk menemukan bahwa rasio polimer terhadap fragmen karbon juga penting untuk menghasilkan bagian yang dioptimalkan untuk kekuatan dan keuletan. Dengan menguji teori mereka, tim membuat beberapa cetakan uji di mana mereka dapat secara berulang mengembangkan kisi berkarbonisasi yang 100 kali lebih kuat dan dua kali lebih ulet seperti sebelumnya.
Sebagai bonus tambahan, kisi mikro "karbon hibrida" para peneliti juga menunjukkan biokompatibilitas yang lebih baik daripada polimer dasar mereka dan bahkan terbukti mendukung bioaktivitas seluler dengan lebih baik. Dengan pemikiran ini, tim percaya proses mereka dapat digunakan untuk memperluas fungsionalitas berbagai polimer lain dan membuka kunci bahan pencetakan 3D baru untuk perangkat medis, robot, dan energi.
Contoh stent koroner 3D yang dicetak dari bahan berkarbonisasi