Ny 3D-printer former objekter med lysstråler

En ny 3D-printer bruger lys til at omdanne klistrede væsker til komplekse faste genstande på kun få minutter.

Kaldenavnet "replikatoren" af opfinderne - efter Star Trek-enheden, der kan materialisere enhver genstand efter behov - kan 3-D-printeren skabe objekter, der er mere glatte, mere fleksibel og mere kompleks end hvad der er muligt med traditionelle 3-D-printere. Det kan også omslutte et allerede eksisterende objekt med nye materialer - f.eks. tilføje et håndtag til et metalskruetrækkerskaft - hvilket nuværende printere har svært ved at gøre.

Teknologien har potentialet til at transformere, hvordan produkter fra proteser til brilleglas designes og fremstilles, siger forskerne.

"Jeg tror, ​​at dette er en vej til at kunne massetilpasse objekter endnu mere, uanset om det er proteser eller løbesko, " sagde Hayden Taylor, assisterende professor i maskinteknik ved University of California, Berkeley, og seniorforfatter til et papir, der beskriver printeren, som står online i dag (31. januar) i journalen Videnskab .

"Det faktum, at du kunne tage en metallisk komponent eller noget fra en anden fremstillingsproces og tilføje tilpasselig geometri, Jeg tror, ​​det kan ændre den måde, produkter er designet på, " sagde Taylor.

De fleste 3D-printere, herunder andre lysbaserede teknikker, opbygge 3D-objekter lag for lag. Dette fører til en "trappe-trin"-effekt langs kanterne. De har også svært ved at skabe fleksible genstande, fordi bøjelige materialer kan deformeres under udskrivningsprocessen, og understøtninger er nødvendige for at udskrive objekter af bestemte former, som buer.

Den nye printer er afhængig af en tyktflydende væske, der reagerer og danner et fast stof, når den udsættes for en vis lystærskel. Projicering af omhyggeligt udformede mønstre af lys - i det væsentlige "film" - på en roterende cylinder af væske, størkner den ønskede form "på én gang."

"I bund og grund, du har en hyldevare videoprojektor, som jeg bogstaveligt talt tog med hjemmefra, og så tilslutter du den til en bærbar computer og bruger den til at projicere en række beregnede billeder, mens en motor drejer en cylinder, der har en 3-D-printerharpiks i sig, " sagde Taylor. "Det er klart, at der er mange finesser i det - hvordan du formulerer harpiksen, og, først og fremmest, hvordan du beregner de billeder, der skal projiceres, men barrieren for at skabe en meget enkel version af dette værktøj er ikke så høj."

Taylor og teamet brugte printeren til at skabe en række objekter, fra en lillebitte model af Rodins "Tænkeren"-statue til en tilpasset kæbebensmodel. I øjeblikket, de kan lave genstande op til fire tommer i diameter.

"Dette er det første tilfælde, hvor vi ikke behøver at opbygge tilpassede 3D-dele lag for lag, " sagde Brett Kelly, co-første forfatter på papiret, der fuldførte arbejdet, mens en kandidatstuderende arbejdede sammen ved UC Berkeley og Lawrence Livermore National Laboratory. "Det gør 3-D-print virkelig tredimensionelt."

En CT-scanning - omvendt

Den nye printer er inspireret af computertomografi (CT)-scanninger, der kan hjælpe læger med at lokalisere tumorer og brud i kroppen.

CT-scanninger projicerer røntgenstråler eller andre typer elektromagnetisk stråling ind i kroppen fra alle forskellige vinkler. Analyserer mønstrene af transmitteret energi afslører objektets geometri.

"I bund og grund vendte vi det princip om, " sagde Taylor. "Vi forsøger at skabe et objekt i stedet for at måle et objekt, men faktisk kan meget af den underliggende teori, der gør os i stand til at gøre dette, oversættes fra den teori, der ligger til grund for computertomografi."

Udover at mønstre lyset, som kræver komplekse beregninger for at få de nøjagtige former og intensiteter rigtige, den anden store udfordring forskerne stod over for var, hvordan man formulerer et materiale, der forbliver flydende, når det udsættes for en lille smule lys, men reagerer og danner et fast stof, når det udsættes for meget lys.

"Væsken, som du ikke ønsker at helbrede, er, at lysstråler passerer gennem den, så der skal være en tærskel for lyseksponering for denne overgang fra væske til fast stof, " sagde Taylor.

3-D-printerharpiksen er sammensat af flydende polymerer blandet med lysfølsomme molekyler og opløst oxygen. Lys aktiverer den lysfølsomme forbindelse, som nedbryder ilten. Kun i de 3-D områder, hvor al oxygen er brugt op, danner polymererne de "tværbindinger", der omdanner harpiksen fra en væske til et fast stof. Ubrugt harpiks kan genbruges ved at varme det op i en iltatmosfære, sagde Taylor.

"Vores teknik genererer næsten intet materialeaffald, og det uhærdede materiale er 100 procent genanvendeligt, sagde Hossein Heidari, en kandidatstuderende i Taylors laboratorium ved UC Berkeley og med-førsteforfatter af værket. "Dette er en anden fordel, der kommer med støttefri 3D-print."

Objekterne behøver heller ikke at være gennemsigtige. Forskerne printede genstande, der ser ud til at være uigennemsigtige, ved hjælp af et farvestof, der transmitterer lys ved den hærdende bølgelængde, men absorberer de fleste andre bølgelængder.

"Dette er særligt tilfredsstillende for mig, fordi det skaber en ny ramme for volumetrisk eller "alt-på-én" 3-D-print, som vi er begyndt at etablere i de seneste år, " sagde Maxim Shusteff, en stabsingeniør på Livermore-laboratoriet. "Vi håber, at dette vil åbne vejen for mange andre forskere til at udforske dette spændende teknologiområde."