Før og efter billeder af polymer-coatede silica partikler dispergerede i glycerol. Ved at påtrykke et lydfelt af stående bølger ved 2MHz samles partiklerne i linier i løbet af sekunder. Der er ca. 400µm mellem hver linie.

Adskillelse af teknologikomponenter fra suppen: Et nyt koncept til 3D-udskrivning

tirsdag 26 jun 18

Støtte til dristige forskningsideer

Projekt “In situ solution synthesis and 3D structuring of multi-property nanocomposites” er støttet af Villum Fonden med to millioner kroner og varer halvandet år. Projektet er del af Villum Experiment, der har til formål at støtte dristige forskningsideer, der udfordrer normen og har potentiale til fundamentalt at ændre måden vi nærmer os vigtige emner på.

Et forskerhold på DTU Energi arbejder på at kunne adskille de forskellige dele af en opløsning ved hjælp af lys og lyd. Målet er at blive i stand til at 3D printe kompositmaterialer hvis egenskaber defineres mens man printer. Det kan føre til helt nye typer af komponenter.

Normalt kan man ikke styre den rumlige placering af komponenter i en opløsning. Vi kan f.eks. ikke få alt frugtkødet i en appelsinjuice til at lægge sig nederst i venstre side af et glas juice, og blandes både appelsin- og grapejuice, kan vi slet ikke sortere blandingen, så kødet fra appelsinen ligger sig til venstre, og det fra grapen til højre.

Det vil et forskerhold på DTU Energi med seniorforsker Roar R. Søndergaard i spidsen gøre noget ved. De vil udvikle metoder til at identificere, indfange og sortere forskellige komponenter i en opløsning ved hjælp af lys og lyd, for derefter at kunne låse dem fast i en 3D polymerstruktur ved hjælp af en 3D printer.

”Hvis vi bliver i stand til at sortere og dirigere materialer i en opløsning åbner det nye muligheder indenfor en masse områder, herunder energimaterialer, integreret optik og mere futuristiske ideer som fjernstyrede robotter til kirurgi”, fortæller seniorforsker Roar R. Søndergaard.

3D-printede små elektroniske kredsløb

3D-print teknikken er kommet langt siden dengang, 3D-printere var store, dyre og komplicerede maskiner, men det meste 3D-print er stadig i bund og grund plastik i mange former. Nu skal modellerne gøres mere brugbare.

"Succeskriteriet er at bygge en 3D struktur, hvor vi har to forskellige komponenter, som vi kan placere og fastlåse i en 3D struktur, præcis de steder i strukturen, hvor vi vil"
Seniorforsker Roar R. Søndergaard, DTU Energi

”Vores mål er at tilføre 3D-komponenterne nye egenskaber, så f.eks. dele af komponenten er elektrisk ledende og andre dele ikke er. På den måde kan vi f.eks. 3D-printe små elektroniske kredsløb”, siger Roar.

Den almindeligste type 3D-printer fungerer ved hjælp af ekstrudering af et filament. Det vil sige at en rulle plastmateriale i form af en tynd plasttråd opvarmes og i flydende form pålægges i tynde lag, typisk 0,1 mm tykkelse. I det nye projekt “In situ solution synthesis and 3D structuring of multi-property nanocomposites”, støttet af Villum Fonden, benyttes i stedet stereolitografi. Her er princippet at materialet er samlet i en ‘suppe’, der belyses af UV-lys i et bestemt mønster, hvorefter materialet størkner i det valgte mønster. Metoden gør lagene både halvt så tynde og mere detaljerede.

”Vi vil også gøre det muligt at lave meget bedre detaljer sammenlignet med den nuværende teknologi.  Her afgøres detaljeringsgraden af tykkelsen på den ekstruderede plastiktråd.  Hvis man vil bruge forskellige materialer, kræver det to tråde som skal pålægges hver for sig. Vi vil i stedet blande alle komponenterne sammen i en væske, så alle byggeklodserne ligger i den samme pøl, og så vil vi ved hjælp af laserpincetter kunne styre strukturen af vores komposit meget detaljeret.”

Det kræver dog, at man kan identificere, indfange og sortere forskellige typer materialer, som ligger i den samme væske, hvilket man ikke kan i dag. Lidt ligesom eksemplet med appelsin- og grapekødet fra før. DTU forskerne vil nu benytte lys og lyd til at fange, sortere og opkoncentrere de forskellige blandinger i væsken.

”Ved hjælp af lydbølger kan vi lave fælder i væsken, som partiklerne ikke kan undslippe. På den måde kan vi samle den ene slags partikler i det ene hjørne og en anden type partikler i det andet. Det vil sige appelsin og grape hver for sig, eller de sorte og grønne, eller hvordan vi nu adskiller dem. Målet er så, at lede materialer med en bestemt type funktionalitet hen, hvor vi vil, så hele konstruktionen får en funktion”, siger Roar.

Total kontrol over "suppen"

Selve printningen sker ved hjælp af stereolitografi i en ombygget 3D-printer, hvor væsken med materialer flyder i en speciel kasse med en glasflade forneden. UV-lys fokuseres nedefra mod den flydende suppe i det mønster, forskerne ønsker. UV-lyset gør at væsken lige over glaspladen hærder og på den måde bygges lag på lag af materiale i en tykkelse på 50 µm (1 µm = 1 milliontedel meter).

”Og det skal gå hurtigt at få materialerne frem og tilbage i væsken, idet hvert lag tager under et sekund at lave”, siger forsker Thue Trofod.

Det kræver, at forskerne har 100 % styr på, hvor de enkelte typer materialer i ”suppen” befinder sig, at de kan sortere materialerne, og at de enkelte materialer ikke blandes, når de føres frem og tilbage for at blive printet, så der må ikke være normalt flow i væsken.

”Så vi skal have total kontrol over, hvor alt er. Det gør det til et ret ambitiøst projekt, så vi når næppe at færdigudvikle alt på halvandet års, men hvis man kan bevæge materialerne rundt i ‘suppen’, kan man også bygge med dem”, siger Roar R. Søndergaard.

Målet er, at man i fremtiden skal kunne 3D-printe materialer med funktioner der styres under fremstillingsprocessen, så man kan printe en funktionel komponent på en gang.. Men da metoden er helt ny satser DTU-forskerne indtil videre dog kun på at blive i stand til at printe simple strukturer med forskellige typer funktionelle materialer indlejret.

”Succeskriteriet er at bygge en 3D struktur, hvor vi har to forskellige komponenter, som vi kan placere og fastlåse i en 3D struktur, præcis de steder i strukturen, hvor vi vil”, siger Roar R. Søndergaard.

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.
https://www.energy.dtu.dk/nyheder/Nyhed?id=%7B594FF00B-D7A0-498E-A4A5-9A239F69E27A%7D
24 SEPTEMBER 2020