Wyprodukowaliśmy już kilka fajnych materiałów kompozytowych i były one dużym sukcesem: przygotowaliśmy materiały nadające się do użytku mechanicznego, jak np. Prusament PC Blend Carbon Fiber oraz Prusament PA11 Carbon Fiber. Aby postawić kolejny krok, zdecydowaliśmy się na stworzenie wysoce zaawansowanego filamentu wypełnionego metalem, przeznaczonego raczej do zastosowań technicznych niż estetycznych: wprowadzamy na rynek Prusament PETG Tungsten 75%! Choć materiał ten przeznaczony jest przede wszystkim dla bardzo specyficznej grupy użytkowników, wierzymy, że jego rozwój zaintryguje wszystkich w społeczności druku 3D. Filament ten ma wiele do zaoferowania – jego niereaktywne, hipoalergiczne i nietoksyczne właściwości czynią go idealnym do różnych zastosowań medycznych. Dodatkowo, jego wysoka gęstość doskonale nadaje się do tworzenia skomplikowanych elementów chroniących przed promieniowaniem w łatwiejszy i szybszy sposób w porównaniu do metod konwencjonalnych. Omówmy to bardziej szczegółowo.

Wolfram (symbol chemiczny W, liczba atomowa 74) jest jednym z najcięższych metali w układzie okresowym. Jego gęstość około 19 gramów na centymetr sześcienny jest porównywalna do złota i jest około 1,7 razy gęstszy niż ołów (symbol chemiczny Pb, liczba atomowa 82). Ze względu na swoją liczbę atomową, wolfram może być używany w różnych zastosowaniach, np. jako materiał chroniący przed promieniowaniem rentgenowskim i gamma. Jest to w zasadzie niereaktywny pierwiastek, który nie reaguje z wodą, tlenem lub z powietrzem w temperaturze pokojowej. W przeciwieństwie do ołowiu, wolfram jest hipoalergiczny i nietoksyczny, co sprawia, że doskonale nadaje się do zastosowań medycznych.

Materiały o tak dużej gęstości są zazwyczaj bardzo trudne do obróbki, mogą być bardzo drogie, a nawet toksyczne. Właściwe cechy tych materiałów sprawiają, że klasyczne metody wytwarzania są niepożądane. Wytwarzanie przyrostowe daje możliwość łatwiejszego tworzenia złożonych/indywidualnych komponentów osłonowych, a czasem także obniżenia kosztów.

Ekranowanie radiacyjne i właściwości mechaniczne

The Prusament PETG Tungsten 75% jest wypełniony proszkiem wolframowym (75% masy), dlatego oczywiście nie ma takich samych właściwości ekranujących jak czysty wolfram. Sporządziliśmy poniższą tabelę, aby wyjaśnić właściwości ekranujące Prusamentu PETG Tungsten 75% w porównaniu z czystym ołowiem i wolframem. Aby zrozumieć tabelę, musimy wyjaśnić kilka podstawowych terminów używanych w branży osłon radiacyjnych:

Gęstość (g*cm-3): przy rozważaniu możliwości ekranowania radiacyjnego najważniejszymi cechami są liczba atomowa i gęstość materiału. Ołów i wolfram są najczęściej stosowanymi materiałami do osłony przed promieniowaniem rentgenowskim i gamma, dlatego porównujemy te dwa (czyste) metale z nowym Prusamentem.

Liniowy współczynnik absorpcji materiału (µ): jest to stała opisująca frakcję tłumionych fotonów padających w wiązce monoenergetycznej na jednostkę grubości materiału. Im wyższy liniowy współczynnik absorpcji, tym większa zdolność tłumienia substancji, co oznacza, że jest ona lepszym materiałem osłonowym.

Warstwa półchłonna HVL (mm): w charakterystyce ekranowania promieniowania ważnym parametrem, o którym należy mówić, jest warstwa półchłonna (HVL). Oznacza to grubość materiału, przy której natężenie promieniowania przechodzącego przez materiał zmniejsza się o połowę. Dla najczęściej stosowanej w obrazowaniu medycyny nuklearnej energii promieniowania gamma (140 keV, 99mTc), czysty ołów posiada HVL równe 0,256 mm, wolfram z kolei ma HVL równe 0,191 mm. Innymi słowy: trzeba mniej wolframu niż ołowiu, aby uzyskać podobne wyniki ekranowania.

czysty Pb PETG Tungsten 75% czysty W
Gęstość (g*cm-3) 11,3 4,0 19,3
Liniowy współczynnik absorpcji
(140 keV, 99mTc) μ (cm-1)		 27,11 4,95 36,23
Warstwa półchłonna HVL (mm) 0,256 1,402 0,191
Wielokrotność czystego W HVL 1,34 7,34 1,00

Porównanie właściwości ekranowania promieniowania Prusamentu PETG Tungsten 75% z powszechnie stosowanymi materiałami ekranującymi. Liniowy współczynnik absorpcji czystego ołowiu oraz czystego wolframu obliczono na podstawie bazy danych physics.nist.gov i wartości w tym artykule.

Wyniki przedstawione w tabeli (gęstość, μ i HVL) są teoretyczne dla czystego ołowiu i czystego wolframu. Gęstość Prusamentu PETG Tungsten 75% (4 g*cm-3) została obliczona na podstawie masy i wymiarów filamentu. Jego μ pochodzi z serii pomiarów absorpcji prowadzonych przez inż. Jaroslava Ptáčka, dr inż. w dziale fizyki medycznej i ochrony radiologicznej szpitala w Ołomuńcu. Wartość HVL została następnie łatwo obliczona z danych eksperymentalnych.

Aparat do badań Prusament PETG Tungsten 75%. Źródło promieniowania nie jest widoczne na tym zdjęciu.

Metoda pomiaru

Wszystkie pomiary przeprowadzono przy użyciu metastabilnego technetu (99mTc). Podczas pomiarów absorpcji, próbka Prusamentu PETG Tungsten 75% o określonej grubości została napromieniowana przez źródło radioizotopu 99mTc. Ustalono absorpcję danej próbki przy użyciu wąskiej geometrii wiązki. W diagnostyce medycyny nuklearnej jest to najczęściej stosowany radioizotop medyczny. Stosowany jako radioaktywny znacznik, emituje wykrywalne promienie gamma o energii fotonów 140 keV.

Niektóre z próbek Prusamentu PETG Tungsten 75%. 

Obiekty testowe zostały wydrukowane w 3D z Prusamentu PETG Tungsten 75%, o następujących grubościach: 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 1,5; 2 i 3 mm. Pomiary były wykonywane prostopadle do powierzchni próbki. Po wykonaniu pomiarów obliczyliśmy HVL (patrz wyniki poniżej).

Umieszczenie metastabilnego technetu (99mTc) wewnątrz aparatu badawczego.

Wyniki pomiarów absorpcji. Oś Y pokazuje ilość promieniowania gamma przechodzącą przez badaną próbkę, oś X przedstawia grubość próbki. Obliczone HVL dla Prusamentu PETG Tungsten 75% wynosi 1,402 mm (pomarańczowy znacznik). Dla porównania HVL dla czystego ołowiu wynosi 0,256 mm, HVL dla czystego wolframu 0,191 mm.

Prusament PETG tungsten 75% może być drukowany za pomocą dyszy 0,4 mm bez obawy o zatkanie, które często występuje podczas drukowania filamentów wypełnionych metalem. Połączyliśmy drobny proszek wolframu z PETG ze względu na dobrą drukowalność, odporność na promieniowanie i chemikalia (na przykład różne roztwory dezynfekcyjne). Pełne właściwości mechaniczne i osłonowe przed promieniowaniem można znaleźć w karcie technicznej, ale poniżej przedstawiamy najważniejsze parametry:

  • Właściwości osłonowe czystego wolframu: HVL równe 0,191 mm (99mTc, 140 keV)
  • Właściwości osłonowe Prusamentu PETG Tungsten 75%
     HVL równe 1,402 mm (99mTc, 140 keV)*
  • Polimer wiążący: PETG
  • Zawartość wolframu: 75% masy
  • Udarność Charpy’ego: 22 kJ/m2
  • Granica plastyczności przy rozciąganiu: 39 MPa
  • Twardość w skali Shore’a: 79D
  • Temperatura ugięcia pod obciążeniem: 94,2°C przy 0,45 MPa; 86,0°C przy 1,80 MPa
  • Wymagana utwardzona dysza: Tak

*Jak zaobserwowano podczas testów materiałów, istnieje wiele czynników wpływających na ogólne wyniki, takich jak stan drukarki 3D, cięcie itp. Tym samym właściwości ekranowania wydruków mogą się nieznacznie różnić.

Uwaga, profil druku Prusament PETG Tungsten 75% nie jest zawarty w PrusaSlicerze, pobierz paczkę konfiguracyjną (MK3S+) tutaj. Jeśli potrzebujesz profilu druku dla innej drukarki 3D Original Prusa, skontaktuj się z naszym wsparciem, a my chętnie Ci pomożemy.

Jak to działa w praktyce?

Próbowaliśmy wykonać test słuszności koncepcji z aparatem osłonowym do strzykawek używanych z radiofarmaceutykami w medycynie nuklearnej. Wykorzystaliśmy m.in. Prusament PETG Tungsten 75% do wydrukowania pożądanej części o grubości osłony ok. 8 mm, co jest równe 5,7 HVL (przy 99mTc). Aparat ten został zaprojektowany specjalnie dla systemu infuzji radiofarmaceutyków używanego w laboratoriach szpitala w Ołomuńcu. Dzięki naszej części wydrukowanej w 3D, personel szpitala ma do wyboru więcej osłon na strzykawki.

 

 

Osłona wydrukowana z Prusamentu PETG Tungsten 75%

Chociaż osłona wydrukowana w 3D była znacznie grubsza niż czysty wolfram, który jest używany komercyjnie, to druk 3D był znacznie szybszy (biorąc pod uwagę zamówienie, transport, itp.). W niektórych przypadkach zamawianie części zamiennych może być zbyt skomplikowane, a Prusament PETG Tungsten 75% może pomóc w stworzeniu odpowiedniego zamiennika. To pokazuje duży potencjał w różnych szybkich naprawach i ulepszeniach instrumentów radiologicznych. I wreszcie, w niektórych częściach, wytwarzanie przyrostowe może zaoszczędzić nie tylko czas, ale i pieniądze.

Cena, kolor i waga

Zazwyczaj wykonujemy filamenty w różnych kolorach dla celów estetycznych. Jednak materiały techniczne, zwłaszcza wypełnione metalem i węglem są zazwyczaj kolorowane przez drobny proszek wewnątrz polimeru. Dlatego nasz filament wolframowy ma kolor tylko ciemnej metalicznej szarości. Standardowa szpula zawiera 1 kg materiału, co odpowiada 100 m filamentu. Ale oprócz tego oferujemy również próbki 100 g zawierające ok. 10 m filamentu. Należy pamiętać, że ze względu na dużą ilość wolframu, ogólna objętość materiału jest znacznie mniejsza. Cena za 1 kg materiału to 229 USD / 249 EUR (z VAT), a próbka 100 g kosztuje 23,99 USD / 25,99 EUR (z VAT).

Skalibruj swoją drukarkę za pomocą naszego narzędzia przed drukowaniem dużych i ciężkich elementów

Należy pamiętać, że potrzebna jest drukarka w jak najlepszym stanie. Wszelkie zatkania lub inne wady prowadzą do pogorszenia właściwości ekranujących. Chociaż nie możemy zagwarantować, że uzyskasz dokładnie takie same wartości, jakie uzyskaliśmy podczas naszych testów, możemy pomóc Ci uzyskać jak najlepsze efekty. W tym celu zaprojektowaliśmy tą kostkę kalibracyjną, która po wydrukowaniu powinina ważyć co najmniej 5,4 g . Zalecamy wydrukowanie jej i zważenie zanim zaczniesz tworzyć duże i ciężkie elementy. Dzięki temu dowiesz się, czy Twoja drukarka jest w najlepszym stanie, który jest niezbędny do udanego drukowania Prusamentu PETG Tungsten 75%. Jeśli zauważysz jakiekolwiek skazy na kostce lub stwierdzisz, że waga jest znacznie niższa niż 5,4g, dokładnie wyczyść swoją drukarkę i powtórz proces. Na koniec zalecamy przetestowanie wydruków, aby poznać dokładny HVL, tak jak to zrobiliśmy z metastabilnym technetem.

Porównanie dwóch kostek wydrukowanych w 3D, z lewej strony widać dobrze skalibrowaną drukarkę, z prawej strony widać niedostateczną ekstruzję (ewentualnie częściowo zatkaną dyszę).

Typowe zastosowania

Jeśli chodzi o najlepsze wykorzystanie, zaprojektowaliśmy Prusament PETG Tungsten 75% częściowo dla zastosowań medycznych (na przykład radiologii), ale celujemy w całą branżę osłon radiacyjnych. Istnieje wiele obszarów, w których można zastosować filamenty chroniące przed promieniowaniem. Obejmuje to na przykład przemysł lotniczy, przemysł energii jądrowej, badania nieniszczące, urządzenia do obrazowania rentgenowskiego itp. Rozumiemy, że Prusament PETG Tungsten 75% nie jest przeznaczony dla społeczności ogólnie, ale raczej dla specjalistycznych badań i wysokiej klasy zastosowań inżynieryjnych. Jeśli masz jakieś pomysły, które mogą dotyczyć naszej współpracy, daj nam znać. Zawsze jesteśmy chętni do spróbowania czegoś nowego!

Przykłady użycia

Ekranowanie radiofarmaceutyków Ekranowanie radiofarmaceutyków
(całkowicie rozmontowane)
Narzędzie do testowania urządzeń radiologii diagnostycznej
(kwadratowy spód jest drukowany z czystego Prusamentu PETG)		 Narzędzie do testowania urządzeń radiologii diagnostycznej sfotografowanych pod rentgenem
(koncentryczne okręgi są drukowane z Prusamentu PETG Tungsten 75%, jasny kwadrat to czysty PETG)
Niestandardowe kolimatory do kamer gamma Niestandardowa osłona ekranująca
(do stosowania w pomieszczeniach do obrazowania rentgenowskiego)