3D-utskrift har förändrat världen. Det har gjort det möjligt för flyg-, medicin-, fordons-, tillverknings- och många andra industrier att skräddarsy delar och prototyper på sätt som de aldrig kunde tidigare. Det har drastiskt ökat flexibiliteten och kostnadseffektiviteten samtidigt som slöseri och produktionstid minskat. Men många 3D-printade material är inte de starkaste.
Ett team av kemister och materialforskare vid Sandia hoppas kunna ändra på det. De har utvecklat en ny utskriftsprocess som skriver ut starkare icke-metalliska material på rekordtid, fem gånger snabbare än traditionell 3D-utskrift.
"Det öppnar upp en helt ny värld av vad du kan bygga och vad 3D-material kan användas till", sa materialforskaren Samuel Leguizamon.
Han ledde teamet som utvecklade SWAMP, som står för Selective Dual-Wavelength Olefin Metathesis 3D-Printing. Som framgår av namnet använder den ljus med dubbla våglängder, till skillnad från den traditionella utskriftsprocessen.
Traditionellt utförs kar 3D-utskrift genom att bestråla ett kar med ljuskänslig flytande harts i ett önskat mönster.
När hartset utsätts för ljus från under karet, härdar hartset och härdar till ett polymerskikt. Den härdade polymeren lyfts sedan och ett nytt mönster projiceras under för att härda efterföljande lager.
En utmaning:När polymeren härdar fäster den vid det föregående lagret och till botten av karet. Efter varje lager måste den härdade polymeren långsamt dras av från karet för att förhindra skador, vilket avsevärt saktar ner 3D-utskriftsprocessen.
Medskaparen Leah Appelhans sa att det är ungefär som att baka kakor. "När du har bakat kakorna måste du låta dem svalna. Om du skulle försöka dra bort den varma kakan från kakan är den squishy och den går sönder. Samma sak skulle hända med en 3D-skrivare om du försökte snabbt skriv ut varje lager. Ditt arbete skulle bli deformerat."
Samuel, Leah, tidigare Sandian Jeff Foster och polymerforskaren Alex Commisso kom på ett sätt att kyla "kakorna" snabbare.
Nyckeln är att kombinera två lampor. I det här fallet ultraviolett och blått ljus.
Teamet tog inspiration från en teknik som kallas kontinuerlig vätskegränssnittsutskrift tillsammans med en utskriftsmetod som använder ljus med dubbla våglängder för akrylbaserade polymerisationer.
Med den skapade de SWAMP.
"Du skriver fortfarande ut lager för lager, men du använder en andra våglängd av ljus för att förhindra polymerisation i botten av karet. Så det fäster inte vid botten," sa Samuel. "Det betyder att du kan lyfta den härdade polymerdelen snabbare och påskynda tryckprocessen avsevärt."
Men den här nya processen handlar inte bara om effektivitet. Det handlar om att göra 3D-printat material starkare och mer mångsidigt. De flesta material som trycks med vat-polymerisation är akrylbaserade, inte det starkaste materialet.
"Det är verkligen svårt att använda dessa material i saker som flygplan och rymd samt flyg- och bilindustrin. De är väldigt tuffa miljöer," sa Sandia licensieringschef Bob Sleeper.
Detta team vände sig till materialet dicyklopentadien, som vanligtvis används vid tillverkning av färger, lacker och flamskyddsmedel för plast. De kunde utveckla ett sätt att polymerisera det snabbare med ljus så att det kan användas mer effektivt i 3D-utskrift.
"Vi bytte byggstenar av materialen från akrylbaserade till olefinbaserade," sa Samuel. "Vilket låter oss skriva ut material som är mycket tuffare."
"Det är det fina med vad de gör," sa Bob. "Du har mycket högkvalitativa plastdelar som tillverkas mycket exakt genom att använda lite ljus på ett väldigt nytt sätt."
Detta team hoppas att deras nya utskriftsprocess kommer att öppna en värld av 3D-utskrift.
"Vad vi försöker göra är att bygga verktygslådan med tillgängliga material," sa Leah. "Vi vill att designers, forskare, ingenjörer ska kunna välja vilken typ av material de vill använda."
En dag hoppas de få se dessa 3D-printade delar i raketer, motorer, batterier, kanske till och med i fusionsapplikationer. Samuel sa att de redan pratar med forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory för att utforska applikationer. "Det visar sig att monomerer redan används i fusionskomponenter. Man brukar inte tänka på en polymer som används i fusion, men det är verkligen cool och spännande potential."
Teamet ser också en värld där 3D-utskrift kan göras lättare i avlägsna områden. "Vi tittar på platser där maskiner och delar inte är lättillgängliga; som i rymden, på månen eller i Mellanöstern vid en amerikansk militärbas", sa Bob. "Du kan ta med dig lite lättviktsmaterial och göra allt du behöver på plats."
Samuel, som växte upp i den lilla staden Wagener, South Carolina, funderar också på applikationer som kan hjälpa närmare hemmet.
"Jag har hästar. Jag växte upp på landsbygden, min pappa var hovslagare, så jag funderar på sätt att göra hästskor för kapplöpningshästar. De måste vara slagtåliga, men genom att ändra materialegenskaperna kan stress bli bättre spridda ut och slå i rätt utrymme på hoven Du kan tänka dig det som inläggssulor för hästar."
Möjligheterna är oändliga.
"Jag tror att det som lockade mig till kemi i första hand är potentialen att göra något som aldrig har funnits förut," sa Leah. "Det roliga med 3D-utskrift är att du tillämpar den kemiska kunskapen på något som har ett väldigt konkret resultat. Något du kan se och hålla i dina händer."
Tillhandahålls av Sandia National Laboratories
