Nowa metoda druku 3D: Wytrzymałość i oszczędność dzięki światłu i AI

Druk 3D światłoutwardzalny (photocurable), powszechnie stosowany w stomatologii i produkcji prototypów, charakteryzuje się szybkością i precyzją. Dotychczasową przeszkodą była jednak kruchość i podatność na uszkodzenia mechaniczne. Zespół badawczy profesora Miso Kima z Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) opracował technologię, która ma rozwiązać ten problem.

Nowa metoda łączy dwa kluczowe elementy. Pierwszym jest nowa żywica światłoutwardzalna (polimer), która absorbuje wstrząsy i wibracje, oferując przy tym szeroki zakres właściwości – od gumy po plastik. Drugim – technologia projektowania oparta na uczeniu maszynowym, która automatycznie dobiera optymalną wytrzymałość dla każdej części struktury. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie 'Advanced Materials’.

Zespół profesora Kima opracował materiał na bazie poliuretanu akrylowego (PUA) z wbudowanymi wiązaniami dynamicznymi, co znacząco zwiększa zdolność absorpcji wstrząsów i wibracji w porównaniu z dotychczasowymi materiałami. Dodatkowo, zastosowano technologię 'grayscale DLP’ (Digital Light Processing), która kontroluje intensywność światła, pozwalając na uzyskanie zróżnicowanej wytrzymałości z pojedynczej kompozycji żywicy. Umożliwia to przypisanie konkretnej wytrzymałości do określonych obszarów struktury. Koncepcja ta jest inspirowana zróżnicowanymi rolami kości i chrząstki w ludzkim ciele. Algorytm uczenia maszynowego automatycznie proponuje optymalny rozkład wytrzymałości, analizując strukturę i warunki obciążenia.

Istotnym aspektem jest również efektywność ekonomiczna. Wcześniej, aby osiągnąć zróżnicowane właściwości materiałowe, konieczne było stosowanie kosztownej technologii 'druku wielomateriałowego’. Nowe rozwiązanie pozwala uzyskać ten sam efekt za pomocą pojedynczego materiału i procesu. Eliminuje to potrzebę skomplikowanego sprzętu i zarządzania materiałami. Optymalizacja strukturalna oparta na sztucznej inteligencji skraca czas badań i rozwoju oraz obniża koszty projektowania produktu.

Profesor Kim podkreśla, że nowa technologia rozszerza możliwości w zakresie właściwości materiałowych i projektowania strukturalnego. Implanty dostosowane do indywidualnych potrzeb pacjentów staną się trwalsze i wygodniejsze, a precyzyjne części maszyn będą mogły być wytwarzane z większą niezawodnością. Fakt, że technologia ta zapewnia opłacalność dzięki możliwości uzyskania różnych wytrzymałości przy użyciu jednego materiału i w jednym procesie, jest niezwykle istotny.

Naukowcy przewidują wykorzystanie nowej metody w różnych gałęziach przemysłu, takich jak biomedycyna, lotnictwo i robotyka. Potencjał tkwi w możliwości tworzenia wytrzymałych, a jednocześnie lekkich i precyzyjnych elementów.