Lys giver kontrol til 3D-udskrivning med flere materialer

3D-udskrivning har revolutioneret sundhedsområdet, biomedicinsk videnskab, fremstilling og kunstdesign.

Succesfulde applikationer er kommet på trods af, at de fleste 3D-udskrivningsteknikker kun kan producere dele fremstillet af ét materiale ad gangen. Mere komplekse applikationer kunne udvikles, hvis 3D-printere kunne bruge forskellige materialer og oprette dele af flere materialer.

Ny forskning bruger forskellige bølgelængder af lys for at opnå denne kompleksitet. Forskere ved University of Wisconsin-Madison udviklede en ny 3D-printer, der bruger mønstre af synligt og ultraviolet lys til at diktere, hvilke af to monomerer der er polymeriseret til at danne et fast materiale. Forskellige lysmønstre giver den rumlige kontrol, der er nødvendig for at frembringe dele af flere materialer. Værket blev offentliggjort 15. februar i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Så fantastisk som 3D-udskrivning er, i mange tilfælde tilbyder den kun en farve at male med, "siger UW-Madison professor i kemi A.J. Boydston, der ledede det seneste arbejde med sin kandidatstuderende Johanna Schwartz. "Feltet har brug for en farvepalet."

Boydston og Schwartz vidste, at forbedrede trykmaterialer krævede en kemisk tilgang for at supplere de tekniske fremskridt.

"Dette er et skift i, hvordan vi tænker på 3D-udskrivning med flere typer materialer i et objekt, "Boydston siger." Dette er mere en bottom-up kemiker tilgang, fra molekyler til netværk. "

3D-udskrivning er processen med at lave solide tredimensionelle objekter fra en digital fil ved successivt at tilføje tynde lag af materiale oven på tidligere lag. De fleste 3D-udskrivningsmetoder med flere materialer bruger separate reservoirer af materialer til at få forskellige materialer i de rigtige positioner.

Men Boydston indså, at en et-kar, multiple-component approach-svarende til en kemists one-pot-tilgang ved syntetisering af molekyler-ville være mere praktisk end flere reservoirer med forskellige materialer. Denne tilgang er baseret på forskellige lysbølgelængderes evne til at kontrollere, hvilke udgangsmaterialer der polymeriserer i forskellige sektioner af det faste produkt. Disse udgangsmaterialer starter som simple kemikalier, kendt som monomerer, der polymeriserer sammen til en længere streng kemikalier, som hvordan plast er lavet.

"Hvis du kan designe et element i PowerPoint med forskellige farver, så kan vi udskrive det med forskellige kompositioner baseret på disse farver, "Schwartz siger.

Forskere skaber flere digitale billeder, der, når stablet, producere et tredimensionelt design. Billederne styrer, om ultraviolet eller synligt lys bruges til at polymerisere udgangsmaterialerne, som styrer det endelige materiale og dets egenskaber, som stivhed. Forskerne leder samtidigt lys fra to projektorer mod en beholder med flydende udgangsmaterialer, hvor lag er bygget en-for-en på en platform. Efter at et lag er bygget, byggeplatformen bevæger sig opad, og lys hjælper med at bygge det næste lag.

Den største forhindring Boydston og Schwartz stod over for var at optimere kemien i udgangsmaterialerne. De overvejede først, hvordan de to monomerer ville opføre sig sammen i et kar. De skulle også sikre, at monomererne havde lignende hærdningstider, så de hårde og bløde materialer i hvert lag blev færdige med at tørre på omtrent samme tid.

Med den rigtige kemi på plads, Boydston og Schwartz kunne nu diktere præcis, hvor hver monomer helbredte inden for det trykte objekt ved hjælp af ultraviolet eller synligt lys.

"På dette tidspunkt, vi har kun opnået at sætte hårde materialer ved siden af ​​bløde materialer i et trin, "Boydston siger." Der er mange ufuldkommenheder, men det er spændende nye udfordringer. "

Nu, Boydston ønsker at tage fat på disse ufuldkommenheder og besvare åbne spørgsmål, såsom hvilke andre monomerkombinationer der kan bruges, og om forskellige bølgelængder af lys kan bruges til at hærde disse nye materialer. Boydston håber også at samle et tværfagligt team, der kan øge virkningen af ​​bølgelængdekontrolleret, 3D-udskrivning i flere materialer.

Forskernes nye tilgang til multimateriale 3-D-tryk kan muliggøre designere, kunstnere, ingeniører og forskere til at skabe betydeligt mere komplekse systemer med 3D-print. Ansøgninger kan omfatte oprettelse af personlig medicinsk udstyr, såsom proteser, eller udvikling af simulerede organer og væv. Medicinstuderende kunne bruge disse syntetiske organer til træning i stedet for, eller før du arbejder med, levende patienter.

Brug af kemiske metoder til at eliminere en teknisk flaskehals er præcis, hvad 3D-printindustrien har brug for for at komme videre, siger Schwartz.

"Det er denne grænseflade mellem kemi og teknik, der vil drive feltet til nye højder, "Schwartz siger.