Dodruk 3D rzuca światło w ciemności

Podświetlane wzory – nie ma ograniczeń dla kreatywności. © Fraunhofer IPA/zdjęcie: Christian Bay

Podświetlana osłona drzwiowa z drukarki 3D. © Fraunhofer IPA/zdjęcie: Christian Bay

Produkcja jest pracochłonna, a recykling trudny: skomplikowane elementy z tworzyw sztucznych, które w niektórych miejscach muszą być przezroczyste, wymagają od producentów i firm zajmujących się utylizacją wiele wysiłku. Dzięki zaawansowanej metodzie druku 3D specjaliści z Fraunhofer IPA i Uniwersytetu Bayreuth zdołali teraz wyprodukować te elementy w zaledwie jednym kroku produkcyjnym i w pełni z tego samego materiału.

Bez względu na to, czy jest to deska rozdzielcza, listwy ozdobne czy podświetlane przyciski i przełączniki do klimatyzacji i radia – wiele elementów samochodowych i urządzeń elektrycznych posiada elementy świetlne lub symbole podświetlane selektywnie. Kontrast pomiędzy ciemnym tłem a jasnym symbolem pomaga kierowcy szybko rozpoznać pożądany przycisk w nocy i skupić się na ruchu drogowym.

Nawet dla małych elementów, takich jak przyciski i wcięcia, konieczne jest użycie kilku materiałów o różnych przezroczystościach światła, różnych etapów procesu lub zmiennej grubości elementu, aby wyprodukować podświetlane symbole. Zazwyczaj poszczególne materiały są ze sobą nierozłącznie łączone, co znacznie ogranicza możliwość recyklingu. Grupa projektowa Procesowa Innowacja z Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA oraz Technologiczne Impact Hub z Katedry Ekologicznej Technologii Produkcji na Uniwersytecie Bayreuth wykorzystują technologię addytywną, aby uczynić produkcję tych funkcjonalnych elementów z tworzyw sztucznych bardziej ekologiczną i ekonomiczną.

„Recyklingowalność i krótkie czasy procesu odgrywają coraz ważniejszą rolę w produkcji elementów technicznych, szczególnie w technologii druku 3D”, mówi Marco Wimmer z Fraunhofer IPA. „Wykorzystując potencjał technologii addytywnej oraz innowacyjne materiały i technologie maszynowe, powstają nowe możliwości produkcji funkcjonalnych elementów.”

Z proszku powstają selektywnie przezroczyste elementy

Jako materiał wyjściowy do addytywnej produkcji selektywnie przezroczystych elementów zespół badawczy Wimmera wykorzystuje drobno zmielone, termoplastyczne proszki z tworzyw sztucznych. Do wyboru są na przykład miękkie elastomery termoplastyczne, sztywne tworzywa, takie jak poli(tereftalan butylenu) (PBT), lub przezroczyste albo półprzezroczyste kopolimery. Te i inne komercyjnie dostępne lub jeszcze rozwijane proszki z tworzyw sztucznych parametryzują naukowcy z Bayreuth do technologii High Speed Sintering (HSS) i testują je. Wyniki prezentują w ramach „HSS-Material Network”, sieci mającej na celu zwiększenie dostępności proszków z tworzyw sztucznych dla usługodawców i użytkowników.

HSS należy do grupy metod druku na bazie proszków w technologii „Powder Bed Fusion of Polymers with Infrared Radiation” (PBF-IR/P), czyli grupy technologii addytywnych, w których na podgrzewanej platformie budowlanej nakłada się cienką warstwę proszku z tworzywa sztucznego, a następnie pokrywa ją atramentem na bazie rozpuszczalnika za pomocą głowic inkjet. Następnie źródło promieniowania podczerwonego przechodzi przez proszkowe łóżko. Rozpuszczalnik w atramencie absorbuje promieniowanie, nagrzewa się i selektywnie topi proszek z tworzywa sztucznego. Zmieniając ilość atramentu, zespół badawczy może lokalnie wpływać na właściwości elementu.

Światło i cień są blisko siebie

To, czy dany obszar jest przezroczysty, zależy od ilości rozpuszczalnika, który został nałożony na proszek z tworzywa sztucznego w tym miejscu. Do stopienia proszku z tworzywa sztucznego potrzebna jest niewielka ilość rozpuszczalnika. Nadaje to elementowi lekko jasnoszary odcień, ale właściwości półprzezroczyste tworzywa przeważają. Jeśli na dany obszar zostanie nałożona większa ilość rozpuszczalnika niż minimalna potrzebna do stopienia proszku, lokalnie zmniejsza się przezroczystość światła.

Naukowcy z Bayreuth celowo wykorzystują tę zależność, aby wyprodukować elementy addytywne z wyraźnie widocznymi wzorami, napisami i symbolami, które za pomocą źródła światła mogą się świecić. Dzięki wysokiej rozdzielczości głowic inkjet możliwe jest tworzenie nie tylko twardych kontrastów jasne-ciemne, ale także płynnych przejść.

Ekologicznie i ekonomicznie na wyższych obrotach

Indywidualne wzory, napisy i symbole, skomplikowane trójwymiarowe struktury z elementami świetlnymi czy półprzezroczyste elementy do połączeń czujników i oświetlenia – wszystko to można dzięki temu zaawansowanemu procesowi druku 3D wyprodukować w jednym kroku i bez konieczności konstrukcyjnej zmiany grubości elementów. A ponieważ elementy z tworzyw sztucznych są wykonane w pełni z tego samego materiału, można je bez problemu poddać recyklingowi.

„Technologia addytywna odciąża naturę i gospodarkę: dzięki zrównoważonej produkcji i krótkim łańcuchom procesów można funkcjonalizować elementy bez konieczności konstrukcyjnych ograniczeń, stosując selektywnie przezroczyste struktury”, podsumowuje Wimmer.