Højeste kapacitet 3-D-printer er fremtidens fremstilling

Northwestern University-forskere har udviklet en ny, futuristisk 3D-printer, der er så stor og så hurtig, at den kan printe et objekt på størrelse med et voksent menneske på blot et par timer.

Kaldet HARP (high-area rapid printing), den nye teknologi muliggør en rekordstor gennemstrømning, der kan fremstille produkter efter behov. I løbet af de sidste 30 år, de fleste bestræbelser inden for 3D-print har været rettet mod at skubbe grænserne for ældre teknologier. Tit, jagten på større dele er kommet på bekostning af hastighed, gennemløb og opløsning. Med HARP -teknologi, dette kompromis er unødvendigt, gør det muligt at konkurrere med både opløsningen og gennemløbet af traditionelle fremstillingsteknikker.

Prototypen af ​​HARP-teknologien er 13 fod høj med en 6,25 kvadratfod printseng og kan udskrive omkring en halv yard på en time – en rekordstor gennemstrømning for 3D-printfeltet. Det betyder, at den kan udskrive enkelt, store dele eller mange forskellige små dele på én gang.

"3D-print er konceptuelt kraftfuldt, men har været begrænset praktisk talt, "sagde Northwestern's Chad A. Mirkin, der ledede produktets udvikling. "Hvis vi kunne printe hurtigt uden begrænsninger på materialer og størrelse, vi kunne revolutionere fremstillingen. HARP er klar til at gøre det. "

Mirkin forudser, at HARP vil være tilgængelig kommercielt i de næste 18 måneder.

Værket vil blive offentliggjort 18. oktober i tidsskriftet Videnskab . Mirkin er George B. Rathmann-professor i kemi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences og direktør for International Institute of Nanotechnology. David Walker og James Hedrick, begge forskere i Mirkins laboratorium, medforfatter papiret.

Holder det køligt

HARP bruger en ny, patentanmeldt version af stereolitografi, en type 3D-print, der omdanner flydende plastik til faste genstande. HARP udskriver lodret og bruger projiceret ultraviolet lys til at hærde flydende harpikser til hærdet plast. Denne proces kan udskrive stykker, der er hårde, elastisk eller endda keramisk. Disse kontinuerligt printede dele er mekanisk robuste i modsætning til de laminerede strukturer, der er fælles for andre 3D-printteknologier. De kan bruges som dele til biler, flyvemaskiner, tandpleje, ortotik, mode og meget mere.

En væsentlig begrænsende faktor for nuværende 3D-printere er varme. Enhver harpiksbaseret 3D-printer genererer meget varme, når den kører med høje hastigheder - nogle gange over 180 grader Celsius. Dette fører ikke kun til farligt varme overfladetemperaturer, det kan også få trykte dele til at revne og deformere. Jo hurtigere det er, jo mere varme printeren genererer. Og hvis det er stort og hurtigt, varmen er utrolig intens.

Dette problem har overbevist de fleste 3D-printvirksomheder til at forblive små. "Når disse printere kører ved høje hastigheder, en stor del varme genereres fra polymerisationen af ​​harpiksen, "Sagde Walker." De har ingen måde at fjerne det på. "

'Flydende teflon'

Northwestern-teknologien omgår dette problem med en nonstick-væske, der opfører sig som flydende teflon. HARP projicerer lys gennem et vindue for at størkne harpiks oven på en lodret bevægelig plade. Den flydende teflon flyder over vinduet for at fjerne varme og cirkulerer den derefter gennem en køleenhed.

"Vores teknologi genererer varme ligesom de andre, "Mirkin sagde." Men vi har en grænseflade, der fjerner varmen. "

"Interfacet er også nonstick, som forhindrer harpiksen i at klæbe til selve printeren, " tilføjede Hedrick. "Dette øger printerens hastighed med hundrede gange, fordi delene ikke gentagne gange skal kløves fra bunden af ​​printkaret."

Farvel, varehuse

Nuværende fremstillingsmetoder kan være besværlige processer. De kræver ofte udfyldning af prædesignede forme, som er dyre, statisk og optager værdifuld lagerplads. Brug af forme, producenter udskriver dele på forhånd – ofte ved at gætte, hvor mange de har brug for – og opbevarer dem i gigantiske lagre.

Selvom 3D-print er ved at gå fra prototyping til fremstilling, nuværende 3D-printers størrelse og hastighed har begrænset dem til små-batch-produktion. HARP er den første printer, der kan håndtere store partier og store dele udover små dele.

"Når du kan udskrive hurtigt og stort, det kan virkelig ændre den måde, vi tænker på fremstilling, "Sagde Mirkin." Med HARP, du kan bygge alt, hvad du vil, uden forme og uden et lager fuld af dele. Du kan printe alt, hvad du kan forestille dig on-demand."

Størst i sin klasse

Mens andre printteknologier har bremset eller reduceret deres opløsning for at blive stor, HARP giver ikke sådanne indrømmelser.

"Selvfølgelig er der mange typer 3D-printere derude - du ser printere lave bygninger, broer og karrosserier, og omvendt ser du printere, der kan lave små dele i meget høje opløsninger, " sagde Walker. "Vi er begejstrede, fordi dette er den største og højeste kapacitetsprinter i sin klasse."

Printere i HARP -skala producerer ofte dele, der skal slibes eller bearbejdes ned til deres endelige geometri. Dette tilføjer en stor lønomkostning til produktionsprocessen. HARP er i en klasse af 3D-printere, der bruger højopløseligt lysmønster for at opnå klar-til-brug dele uden omfattende efterbehandling. Resultatet er en kommercielt levedygtig vej til fremstilling af forbrugsvarer.

Nano går stort

En verdenskendt ekspert i nanoteknologi, Mirkin opfandt verdens mindste printer i 1999. Kaldet dip-pen nanolitografi, teknologien bruger en lille pen til at mønstre funktioner i nanoskala. Han overførte dette derefter til en række små penne, der kanaliserer lys gennem hver pen for lokalt at generere funktioner fra fotofølsomme materialer. Den specielle nonstick-grænseflade, der blev brugt i HARP, opstod under arbejdet med at udvikle denne teknologi til en 3D-printer i nanoskala.

"Fra et volumetrisk synspunkt, vi har spændt over 18 størrelsesordener, "Sagde Mirkin.

Studiet, "Hurtig, stort volumen, termisk styret 3D-print ved hjælp af en mobil væskegrænseflade, " blev støttet af Air Force Office of Scientific Research (prisnummer FA9550-16-1-0150), det amerikanske energiministerium (prisnummer DE-SC0000989) og Sherman Fairchild Foundation.