Ingeniører udvikler multimateriale fiberblæk til 3-D-printede enheder

En ny metode udviklet af MIT-forskere bruger standard 3-D-printere til at producere fungerende enheder med elektronikken allerede indlejret indeni. Enhederne er lavet af fibre, der indeholder flere sammenkoblede materialer, som kan lyse op, fornemme deres omgivelser, lagre energi, eller udføre andre handlinger.

Den nye 3-D printmetode er beskrevet i journalen Naturkommunikation , i et papir af MIT ph.d.-studerende Gabriel Loke, professorerne John Joannopoulos og Yoel Fink, og fire andre på MIT og andre steder.

Systemet anvender konventionelle 3D-printere udstyret med en speciel dyse og en ny slags filament til at erstatte den sædvanlige polymerfilament af enkelt materiale, som typisk bliver helt smeltet, før det ekstruderes fra printerens dyse. Forskernes nye filament har en kompleks intern struktur, der består af forskellige materialer arrangeret i en præcis konfiguration, og er omgivet af polymerbeklædning på ydersiden.

I den nye printer, dysen arbejder ved en lavere temperatur og trækker filamentet gennem hurtigere konventionelle printere, så kun dets yderste lag bliver delvist smeltet. Interiøret forbliver køligt og solidt, med dens indlejrede elektroniske funktioner upåvirket. På denne måde overfladen er smeltet lige nok til at få den til at klæbe solidt til tilstødende filamenter under udskrivningsprocessen, at producere en robust 3D-struktur.

De indre komponenter i filamentet omfatter metaltråde, der tjener som ledere, halvledere, der kan bruges til at styre aktive funktioner, og polymerisolatorer for at forhindre ledninger i at komme i kontakt med hinanden. Som en demonstration, holdet trykte en vinge til et modelfly, ved hjælp af filamenter, der indeholdt både lysemitterende og lysdetekterende elektronik. Disse komponenter kan potentielt afsløre dannelsen af ​​mikroskopiske revner, der kan udvikle sig.

Mens filamenterne brugt i modelvingen indeholdt otte forskellige materialer, Loke siger, at de i princippet kunne indeholde endnu mere. Indtil dette arbejde, han siger, "en printer, der er i stand til at afsætte metaller, halvledere, og polymerer i en enkelt platform eksisterede stadig ikke, fordi udskrivning af hvert af disse materialer kræver forskellig hardware og teknikker."

Denne metode er op til tre gange hurtigere end nogen anden nuværende tilgang til fremstilling af 3D-enheder, Loke siger:og som med alle 3-D printere, giver meget mere fleksibilitet med hensyn til den slags former, der kan fremstilles, end typiske fremstillingsmetoder gør. "Unik for 3D-print, denne tilgang er i stand til at konstruere enheder af enhver fri form, som ikke kan opnås med andre metoder hidtil, " han siger.

Metoden gør brug af termisk trukne fibre, der indeholder en række forskellige materialer indlejret i dem, en proces, som Fink og hans samarbejdspartnere har perfektioneret i to årtier. De har skabt en række fibre, der har elektroniske komponenter i sig, gør fibrene i stand til at udføre en række funktioner. For eksempel, til kommunikationsapplikationer, blinkende lys kan overføre data, som derefter opfanges af andre fibre, der indeholder lyssensorer. Denne tilgang har for første gang produceret fibre, og stoffer vævet af dem, der har disse funktioner indbygget.

Nu, denne nye proces gør hele denne familie af fibre tilgængelig som råmaterialet til fremstilling af funktionelle 3D-enheder, der kan fornemme, kommunikere, eller lagre energi, blandt andre handlinger.

For at lave fibrene selv, de forskellige materialer er indledningsvis samlet i en større skala version kaldet en præform, som derefter opvarmes og trækkes i en ovn for at producere en meget smal fiber, der indeholder alle disse materialer, i deres nøjagtige samme relative positioner, men stærkt reduceret i størrelse.

Metoden kan potentielt udvikles yderligere til at producere en række forskellige slags enheder, især til applikationer, hvor evnen til præcist at tilpasse hver enhed er afgørende. Et sådant område er for biomedicinsk udstyr, hvor det kan være vigtigt at tilpasse enheden til patientens egen krop, siger Fink, der er professor i materialevidenskab samt i elektroteknik og datalogi og administrerende direktør for nonprofitorganisationen Advanced Functional Fabrics of America.

For eksempel, protetiske lemmer kan en dag blive udskrevet ved hjælp af denne metode, ikke kun matcher de præcise dimensioner og konturer af patientens lem, men med al elektronik til at overvåge og kontrollere lemmen indlejret på plads.

I årenes løb, koncernen har udviklet en bred vifte af fibre, der indeholder forskellige materialer og funktionaliteter. Loke siger, at stort set alle disse kan tilpasses til den nye 3-D-printteknik, gør det muligt at printe objekter med en lang række forskellige kombinationer af materialer og funktioner. Enheden anvender en standardtype 3D-printer kendt som en fused deposition modellering (FDM) printer, som allerede findes i mange laboratorier, kontorer, og endda hjem.

En anvendelse, der kan være mulig i fremtiden, ville være at udskrive materialer til biomedicinske implantater, der ville udgøre et stillads for væksten af ​​nye celler til at erstatte et beskadiget organ, og inkludere sensorer til at overvåge udviklingen af ​​denne vækst.

Den nye metode kan også være nyttig til prototyping af enheder - allerede en stor applikation til 3-D-print, men i dette tilfælde ville prototyperne have faktisk funktionalitet, frem for at være statiske modeller.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.