Если у кого-либо был опыт работы с 3D-печатью, известно, что напечатанные изделия часто отличаются хрупкостью. Даже при снятии объекта с платформы существует риск его повреждения: статуэтка, запасная деталь или подарок, на создание которых ушло много часов, могут легко рассыпаться на части.

Эта проблема особенно актуальна для носимой электроники, мягкой робототехники и медицинских технологий, где компоненты, изготовленные методом 3D-печати, долгое время оставались уязвимыми к разрушению и усталости материала.

Проблемы традиционных эластомеров

Обычные эластомеры с одной сеткой — гибкие полимеры, способные растягиваться и возвращаться к исходной форме благодаря слабым межмолекулярным связям — обычно проявляют себя по принципу «или-или». Если материал устойчив к поломкам, он всё равно подвержен усталостным повреждениям при постоянных нагрузках. Если же он хорошо противостоит усталости, то может разрушиться при сильном ударе или растяжении.

Разработка нового материала

Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Лозанны (EPFL) предложили решение — 3D-печатаемый эластомер, устойчивый как к единичным сильным ударам, так и к длительному износу. В своей работе описан материал DNGE (двойные сетчатые гранулированные эластомеры), в котором жёсткие частицы эластомера внедрены в мягкую эластомерную матрицу. Такая структура эффективно перераспределяет напряжение и многократно рассеивает энергию при умеренных деформациях, что обеспечивает высокую устойчивость к усталости.

Особенности и преимущества DNGE

Ранее команда EPFL уже работала с DNGE, создавая 3D-печатаемые среды с заданными механическими свойствами. В процессе исследований выяснилось, что гранулированная структура материала значительно повышает его прочность. Это связано с механизмами многократного рассеивания энергии: материал способен поглощать энергию неоднократно без необратимых разрушений благодаря структурному разнообразию.

По сравнению с аналогичными эластомерами, DNGE демонстрирует в три раза большую устойчивость к усталости и до 15 раз выше прочность. Это достигается за счёт перераспределения механического напряжения от жёстких частиц к мягкой соединяющей их матрице. Вместо разрыва полимерных связей происходит перестройка полимерных цепей, что снижает риск внезапного разрушения.

Структурные особенности и перспективы применения

Гранулированная структура DNGE не предотвращает появление всех трещин, но заставляет их проходить через мягкие области, а не по прямой линии, что снижает вероятность полного разрушения изделия. Такой подход может быть полезен для мягкой робототехники, носимых устройств и биомедицины, где современные материалы ограничены компромиссом между жёсткостью, прочностью и устойчивостью к усталости. Использование DNGE позволяет увеличить срок службы изделий и снизить затраты.

Будущее развития материала

В дальнейшем планируется повысить устойчивость DNGE за счёт использования биоразлагаемых и переработанных материалов. Это позволит снизить экологическую нагрузку и сделать материал более доступным для лабораторий, оснащённых коммерческими 3D-принтерами, без ущерба для механических свойств.