3D-utskrift har revolutionerat hälso- och sjukvårdsområdena, Biomedicinsk forskning, tillverkning och konstdesign.

Framgångsrika tillämpningar har kommit trots att de flesta 3D-trycktekniker bara kan producera delar av ett material i taget. Mer komplexa applikationer skulle kunna utvecklas om 3D-skrivare kunde använda olika material och skapa delar av flera material.

Ny forskning använder olika ljusets våglängder för att uppnå denna komplexitet. Forskare vid University of Wisconsin-Madison utvecklade en ny 3D-skrivare som använder mönster av synligt och ultraviolett ljus för att diktera vilken av två monomerer som polymeriseras för att bilda ett fast material. Olika ljusmönster ger den rumsliga kontrollen som är nödvändig för att ge delar av flera material. Verket publicerades den 15 februari i tidningen Naturkommunikation .

"Så fantastiskt som 3D-utskrift är, i många fall erbjuder den bara en färg att måla, "säger UW-Madison professor i kemi A.J. Boydston, som ledde det senaste arbetet med sin doktorand Johanna Schwartz. "Fältet behöver en färgpalett."

Boydston och Schwartz visste att förbättrade tryckmaterial krävde ett kemiskt tillvägagångssätt för att komplettera tekniska framsteg.

"Detta är en förändring i hur vi tänker om 3D-utskrift med flera typer av material i ett objekt, "Boydston säger." Det här är mer en bottom-up-kemists tillvägagångssätt, från molekyler till nätverk. "

3D-utskrift är processen för att göra fasta tredimensionella objekt från en digital fil genom att successivt lägga till tunna lager av material ovanpå tidigare lager. De flesta 3D-tryckmetoder med flera material använder separata materialbehållare för att få olika material i rätt position.

Men Boydston insåg att en ett-vat, flerkomponentmetod-som liknar en kemists one-pot-tillvägagångssätt vid syntetisering av molekyler-skulle vara mer praktiskt än flera reservoarer med olika material. Detta tillvägagångssätt är baserat på förmågan hos olika våglängder av ljus att kontrollera vilka utgångsmaterial som polymeriseras i olika sektioner av den fasta produkten. Dessa utgångsmaterial börjar som enkla kemikalier, känd som monomerer, som polymeriseras tillsammans till en längre sträng kemikalier, som hur plast är gjord.

"Om du kan designa ett objekt i PowerPoint med olika färger, då kan vi skriva ut den med olika kompositioner baserat på dessa färger, "Säger Schwartz.

Forskare skapar flera digitala bilder som, när den staplas, producera en tredimensionell design. Bilderna styr om ultraviolett eller synligt ljus används för att polymerisera utgångsmaterialen, som styr det slutliga materialet och dess egenskaper, som stelhet. Forskarna riktar samtidigt ljus från två projektorer mot en kärl med flytande utgångsmaterial, där lager byggs en-för-en på en plattform. Efter att ett lager har byggts, byggplattformen rör sig uppåt, och ljus hjälper till att bygga nästa lager.

Det stora hindret Boydston och Schwartz stod inför var att optimera kemin i utgångsmaterialen. De övervägde först hur de två monomererna skulle bete sig tillsammans i ett kärl. De var också tvungna att se till att monomererna hade liknande härdningstider så att de hårda och mjuka materialen i varje lager slutade torka ungefär samtidigt.

Med rätt kemi på plats, Boydston och Schwartz kunde nu diktera exakt var varje monomer härdade i det tryckta objektet med hjälp av ultraviolett eller synligt ljus.

"I detta skede, vi har bara lyckats sätta hårda material bredvid mjuka material i ett steg, "Boydston säger." Det finns många brister, men det här är spännande nya utmaningar. "

Nu, Boydston vill ta itu med dessa brister och svara på öppna frågor, såsom vilka andra monomerkombinationer som kan användas och om olika våglängder av ljus kan användas för att bota dessa nya material. Boydston hoppas också kunna sätta ihop ett tvärvetenskapligt team som kan öka effekten av våglängdskontrollerade, 3D-utskrift i flera material.

Forskarnas nya tillvägagångssätt för 3D-tryck i flera material kan göra det möjligt för designers, konstnärer, ingenjörer och forskare för att skapa betydligt mer komplexa system med 3D-utskrift. Ansökningar kan innefatta skapande av personlig medicinsk utrustning, såsom proteser, eller utveckling av simulerade organ och vävnader. Medicinska studenter kan använda dessa syntetiska organ för utbildning istället för, eller innan du arbetar med, levande patienter.

Att använda kemiska metoder för att eliminera en teknisk flaskhals är exakt vad 3D-utskriftsindustrin behöver för att gå vidare, säger Schwartz.

"Det är detta gränssnitt för kemi och teknik som kommer att driva fältet till nya höjder, "Säger Schwartz.