Sposób modyfikacji filamentu
ZESPÓŁ AUTORSKI
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu
- Prof. UAM dr hab. Robert Przekop - kierownik zespołu
- dr Bogna Sztorch
- mgr Ewa Gabriel
CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?
Sposób modyfikacji filamentu z wykorzystaniem techniki przyrostowego wytwarzania (druk 3D) umożliwiający wprowadzenie chemicznego modyfikatora bezpośrednio w procesie druku i pozwalający na nadanie drukowanym obiektom nowych cech użytkowych, takich jak poprawa właściwości wytrzymałościowych i zwiększenie udarności wydruków oraz zmianę reologii układów, nadanie barwy, zwiększenie połysku powierzchni.
Wynalazek może być stosowany do każdego typu drukarki 3D FDM, niezależnie od budowy ekstrudera (mechanizmu odpowiadającego za podawanie i topienie filamentu). W przeciwieństwie do wielu proponowanych dotąd wynalazków, pomysł nie wymaga wprowadzania skomplikowanych modyfikacji/przeprojektowania/przebudowania głowicy drukującej.
Dodatkową zaletą proponowanego wynalazku jest modyfikacja filamentu podczas procesu druku, oba procesy zachodzą jednocześnie. Ograniczenie ilości czasu oraz wykonywanych czynności.
Dzięki prostocie i uniwersalności pomysłu wynalazek może być wykorzystywany powszechnie, jednak po dobraniu odpowiednich modyfikatorów można mu nadać ściśle specjalistyczny charakter.
Metody modyfikacji materiałów do druku 3D techniką L-FDM pomijają czynności wymagające użycia tradycyjnych urządzeń przetwórczych pochłaniających duże ilości energii, pozwalają również na badania z użyciem dużo mniejszej ilości tworzyw sztucznych, czym przyczyniają się do ograniczenia ilości generowanych odpadów do środowiska.
Obecnie zdecydowana większość badań poświęcona tematyce modyfikacji polimerów polega na konwencjonalnych sposobach wprowadzania dodatków, z wykorzystaniem stanu płynnego polimerów, takich jak np. wytłaczanie, walcowanie mieszające, ugniatanie w kneterach lub poprzez wymieszanie modyfikatora z roztworem polimeru w lotnym rozpuszczalniku. W porównaniu z tradycyjnymi technikami modyfikacji, przedstawiony wynalazek umożliwia efektywne testowanie substancji chemicznych z wysoką wydajnością i przepustowością,co otwiera nowe możliwości aplikacyjne i stanowi innowacyjność zarówno na poziomie krajowym, jak i międzynarodowym.
Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe:
- Wprowadzenie modyfikatora do filamentów w sposób niewymagający użycia dodatkowych operacji i urządzeń przetwórczych
- Ograniczenie ilości czasu oraz wykonywanych czynności
- Uzyskanie wydruków o zmienionej barwnie, oraz o zwiększonym połysku powierzchni
- Uzyskanie poprawy adhezji międzywarstwowej drukowanych obiektów 3D
- Zastosowana nowa technika druku 3D umożliwia modyfikację materiału podczas druku w sposób symultaniczny
- Uzyskanie możliwości modyfikacji różnych materiałów do druku 3D (np. PLA, PETG) dobierając odpowiednie modyfikatory
- Wydrukowane modele wykazują poprawę właściwości mechanicznych w porównaniu z wydrukami otrzymanymi w tradycyjny sposób
ISTOTA WYNALAZKU
Nowatorska technika druku 3D L-FDM – nowe możliwości modyfikacji polimerów.
Wynalazek został opisany w zgłoszeniu patentowym nr P.441923, oraz opublikowany w czasopiśmie naukowym „Applied Sciences”w 2023 roku, jako nowatorska technika modyfikacji materiałów używanych w druku 3D, znana jako Liquid for Fused Deposition Modeling (L-FDM).
L-FDM to innowacyjna umożliwiająca bezpośrednie wprowadzanie substancji chemicznych, takich jak barwniki, rozpuszczalniki, związki organiczne czy krzemoorganiczne, oraz modyfikację filamentu polimerowego w trakcie drukowania.
1. Tradycyjne metody a L-FDM
Dotychczasowa modyfikacja polimerów opierała się na dodawaniu substancji modyfikujących w stanie płynnym polimeru, co wymagało stosowania skomplikowanych procesów, takich jak, np. wytłaczanie, walcowanie mieszające, ugniatanie w kneterach lub poprzez wymieszanie modyfikatora z roztworem polimeru w lotnym rozpuszczalniku.
Technika L-FDM eliminuje potrzebę stosowania kosztownego i energochłonnego sprzętu i może być stosowana w każdym laboratorium przez użytkowników nieposiadających dostępu do specjalistycznych urządzeń.
L-FDM wprowadza prostszą i bardziej efektywną alternatywę, dla tradycyjnych metod przetwórczych tworzyw sztucznych. Nasz wynalazek oszczędza czas, środki finansowe, jest kompaktowy w użyciu i łatwy w eksploatacji.
2. Proces modyfikacji filamentu
Proponowana metoda polega na powierzchniowej modyfikacji filamentu przez jego zanurzanie w roztworze modyfikatora. Filament przechodzi przez zbiornik zawierający substancję chemiczną lub jej roztwór, a następnie przez system suszenia bądź usuwania nadmiaru substancji. Tak zmodyfikowany filament trafia bezpośrednio do głowicy drukarki 3D, gdzie ulega stopieniu i jest osadzany warstwa po warstwie, tworząc trójwymiarowy obiekt.
Możliwe jest także przygotowanie filamentu do późniejszego wykorzystania, poprzez nawijanie go na szpulę po wstępnej modyfikacji. Filament można poddać wielokrotnemu powlekaniu różnymi substancjami chemicznymi, korzystając z kilku zbiorników z modyfikatorami. Dzięki temu proces modyfikacji i drukowania mogą być przeprowadzane w różnych miejscach i czasie.
3. Zastosowania i potencjał
Nowa metoda umożliwia szybkie testowanie licznych substancji chemicznych i tworzenie nieznanych dotąd materiałów funkcjonalnych. Może to prowadzić do opracowania polimerów o wyjątkowych właściwościach, takich jak zwiększona wytrzymałość mechaniczna, adhezja międzywarstwowa, zmienione parametry termiczne czy innowacyjne efekty kolorystyczne.
Technika L-FDM otwiera drogę do bardziej efektywnego wykorzystania tego ogromnego zasobu, wprowadzając nowatorskie rozwiązania do laboratoriów chemicznych i przemysłowych. W porównaniu z tradycyjnymi metodami modyfikacji, wynalazek umożliwia testowanie substancji chemicznych z dużą wydajnością i przepustowością pod kątem tworzenia, niepoznanych dotąd, funkcjonalnych materiałów, otwierających zupełnie nowe możliwości aplikacyjne i stanowi innowację zarówno na poziomie krajowym, jak i międzynarodowym.
Chociaż drukarki 3D stają się coraz bardziej powszechne w gospodarstwach domowych, ich potencjał w zastosowaniach laboratoryjnych jest często niedoceniany. Wielu naukowców na świecie wciąż nie postrzega ich jako przydatnego narzędzia w pracy badawczej. Technika L-FDM to unikalny i prosty sposób na bezpośrednie połączenie chemii z drukiem 3D.
Wynalazek oraz jego potencjalne zastosowania i wyniki badań opisano w poniższych publikacjach naukowych:
1. Przekop, R.E. et al. Appl. Sci. 2023, 13, 7393.
2. Przekop, R.E. et al. Appl. Sci. 2023, 13, 8462.
3. Gabriel, E. et al. C 2024, 10, 23.
POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU
Wynalazek został skomercjalizowany. Polska firma Sygnis S.A. zawarła umowę z Uniwersytetem Adama Mickiewicza, przyznającą mu licencję do korzystania z wynalazku – sposobu modyfikacji filamentu do drukarek 3D w technice L-FDM (Liquid for Fused Deposition Modeling). Licencja, będąca przedmiotem zawartej umowy, obejmuje wytworzenie, wprowadzanie do sprzedaży i dystrybucję produktów wytworzonych wskutek wykorzystania wyżej opisanego wynalazku.
Nowym kierunkiem, w którym podążają UAM i SYGNIS S.A. jest rynek międzynarodowy. W tym celu istotne jest nawiązanie partnerstwa z producentami drukarek 3D, a także dotarcie do firm, które mogłyby wykorzystać wynalazek, np. firmy farmaceutyczne do druku spersonalizowanych leków, producenci aparatury badawczej, lub wytwarzające części użytkowe.