Sådan udskriver du en robot fra bunden:Kombination af væsker og faste stoffer kan føre til hurtigere og mere fleksible 3D-kreationer

Forestil dig en fremtid, hvor du kunne 3D-printe en hel robot eller elastisk, elektronisk medicinsk enhed med et tryk på en knap – ingen kedelige timer brugt på at samle dele i hånden.

Den mulighed kan være tættere på end nogensinde takket være et nyligt fremskridt inden for 3D-printteknologi ledet af ingeniører hos CU Boulder. I en ny undersøgelse fremlægger holdet en strategi for at bruge printere, der er tilgængelige i øjeblikket, til at skabe materialer, der blander faste og flydende komponenter – en vanskelig bedrift, hvis du ikke vil have din robot til at kollapse.

"Jeg tror, ​​der er en fremtid, hvor vi for eksempel kunne fremstille et komplet system som en robot ved hjælp af denne proces," sagde Robert MacCurdy, seniorforfatter af undersøgelsen og assisterende professor i Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering.

MacCurdy offentliggjorde sammen med ph.d.-studerende Brandon Hayes og Travis Hainsworth deres resultater den 14. april i tidsskriftet Additive Manufacturing .

3D-printere har længe været provinsen for hobbyister og forskere, der arbejder i laboratorier. De er ret gode til at lave plastikdinosaurer eller individuelle dele til maskiner, såsom gear eller led. Men MacCurdy mener, at de kan meget mere:Ved at blande faste stoffer og væsker kan 3D-printere producere enheder, der er mere fleksible, dynamiske og potentielt mere nyttige. De omfatter bærbare elektroniske enheder med ledninger lavet af væske indeholdt i faste underlag, eller endda modeller, der efterligner squishiness af rigtige menneskelige organer.

Ingeniøren sammenligner fremskridtet med traditionelle printere, der udskriver i farve, ikke kun sort/hvid.

"Farveprintere kombinerer et lille antal primærfarver for at skabe et rigt udvalg af billeder," sagde MaCurdy. "Det samme er tilfældet med materialer. Hvis du har en printer, der kan bruge flere slags materialer, kan du kombinere dem på nye måder og skabe en meget bredere række af mekaniske egenskaber."

Tøm plads

For at forstå disse egenskaber hjælper det at sammenligne 3D-printere med de normale printere på dit kontor. Papirprintere skaber et billede ved at lægge flydende blæk ned i tusindvis af flade pixels. Inkjet 3D-printere derimod bruger et printhoved til at slippe små væskeperler, kaldet "voxels" (en blanding af "volumen" og "pixel") oven på hinanden.

"Meget hurtigt efter at disse dråber er aflejret, bliver de udsat for et stærkt, ultraviolet lys," sagde MacCurdy. "De hærdelige væsker omdannes til faste stoffer inden for et sekund eller mindre."

Men, tilføjede han, der er mange tilfælde, hvor du måske ønsker, at disse væsker forbliver flydende. Nogle ingeniører bruger for eksempel væsker eller voks til at skabe små kanaler i deres faste materialer, som de derefter tømmer ud på et senere tidspunkt. Det er lidt ligesom, hvordan dråber af vand kan skabe en underjordisk hule.

Ingeniører har fundet på måder at lave den slags tomme rum i 3D-printede dele, men det tager normalt meget tid og kræfter at rense dem. Kanalerne skal også forblive relativt enkle.

MacCurdy og hans kolleger besluttede at finde en måde at omgå disse begrænsninger - bedre at forstå de forhold, der ville tillade ingeniører at udskrive faste og flydende materialer på samme tid.

Flydende mod

Forskerne designet først en række computersimuleringer, der undersøgte fysikken i at printe forskellige slags materialer ved siden af ​​hinanden. Et af de store problemer, sagde MacCurdy, er:"Hvordan kan du forhindre, at dine dråber af faste materialer blandes ind i de flydende materialer, selv når dråberne af fast materiale er trykt direkte oven på de flydende dråber?"

Holdet etablerede et sæt regler for at hjælpe dem med at gøre netop det.

"Vi fandt ud af, at overfladespændingen af ​​en væske kan bruges til at understøtte fast materiale, men det er nyttigt at vælge et flydende materiale, der er mere tæt end det faste materiale - den samme fysik, der tillader olie at flyde oven på vandet." sagde Hayes.

Dernæst eksperimenterede forskerne med en rigtig 3D-printer i laboratoriet. De fyldte printeren med en hærdelig polymer eller plastik (det faste stof) og med en standard rengøringsopløsning (væsken). Deres kreationer var imponerende:Gruppen var i stand til at 3D-printe snoede løkker af væske og et komplekst netværk af kanaler, ikke ulig de forgrenede veje i en menneskelig lunge.

"Begge strukturer ville have været næsten umulige at lave gennem tidligere tilgange," sagde Hainsworth.

MacCurdy sluttede sig også for nylig til et team af forskere fra CU Boulder og CU Anschutz Medical Campus, som udvikler måder at 3D-printe realistiske modeller af menneskeligt væv på. Læger kunne bruge disse modeller til at øve sig i procedurer og stille diagnoser. Projektet vil anvende MacCurdys væske-fast tilgang blandt andre værktøjer.

"Vi håber, at vores resultater vil gøre multi-materiale inkjet 3D-print ved hjælp af væsker og faste stoffer mere tilgængelig for forskere og entusiaster rundt om i verden," sagde han.