En ny 3D-skrivare använder ljus för att omvandla sliskiga vätskor till komplexa fasta föremål på bara några minuter.

Med smeknamnet "replikatorn" av uppfinnarna - efter Star Trek-enheten som kan materialisera vilket föremål som helst på begäran - kan 3D-skrivaren skapa objekt som är smidigare, mer flexibel och mer komplex än vad som är möjligt med traditionella 3-D-skrivare. Det kan också omsluta ett redan existerande föremål med nya material - till exempel, lägga till ett handtag på en skruvmejsel av metall – vilket nuvarande skrivare har svårt att göra.

Tekniken har potential att förändra hur produkter från proteser till glasögonlinser designas och tillverkas, säger forskarna.

"Jag tror att det här är en väg till att kunna massanpassa föremål ännu mer, oavsett om de är proteser eller löparskor, sa Hayden Taylor, biträdande professor i maskinteknik vid University of California, Berkeley, och senior författare till ett papper som beskriver skrivaren, som visas online idag (31 januari) i tidskriften Vetenskap .

"Det faktum att du kan ta en metallisk komponent eller något från en annan tillverkningsprocess och lägga till anpassningsbar geometri, Jag tror att det kan förändra hur produkter designas, " sa Taylor.

De flesta 3D-skrivare, inklusive andra ljusbaserade tekniker, bygga upp 3D-objekt lager för lager. Detta leder till en "trappstegs"-effekt längs kanterna. De har också svårt att skapa flexibla föremål eftersom böjbara material kan deformeras under tryckprocessen, och stöd krävs för att skriva ut föremål av vissa former, som valv.

Den nya skrivaren förlitar sig på en trögflytande vätska som reagerar för att bilda en fast substans när den utsätts för en viss tröskel av ljus. Att projicera noggrant utformade ljusmönster - i huvudsak "filmer" - på en roterande cylinder med vätska stelnar den önskade formen "på en gång".

"I grund och botten, du har en färdig videoprojektor, som jag bokstavligen tog in hemifrån, och sedan kopplar du in den till en bärbar dator och använder den för att projicera en serie beräknade bilder, medan en motor vrider en cylinder som har ett 3D-utskriftsharts i sig, "Sa Taylor. "Självklart finns det många finesser i det - hur du formulerar hartset, och, framför allt, hur du beräknar bilderna som ska projiceras, men barriären för att skapa en mycket enkel version av det här verktyget är inte så hög."

Taylor och teamet använde skrivaren för att skapa en serie objekt, från en liten modell av Rodins "Tänkaren"-staty till en skräddarsydd käkbensmodell. För närvarande, de kan göra föremål upp till fyra tum i diameter.

"Detta är det första fallet där vi inte behöver bygga upp anpassade 3D-delar lager för lager, sa Brett Kelly, co-första författare på papper som slutförde arbetet medan en doktorand som arbetade tillsammans vid UC Berkeley och Lawrence Livermore National Laboratory. "Det gör 3-D-utskrift verkligt tredimensionell."

En datortomografi - omvänt

Den nya skrivaren inspirerades av datortomografi (CT)-skanningar som kan hjälpa läkare att lokalisera tumörer och frakturer i kroppen.

CT-skanningar projicerar röntgenstrålar eller andra typer av elektromagnetisk strålning i kroppen från alla olika vinklar. Att analysera mönstren för överförd energi avslöjar objektets geometri.

"Vi vände på principen, ", sa Taylor. "Vi försöker skapa ett objekt istället för att mäta ett objekt, men faktiskt mycket av den underliggande teorin som gör det möjligt för oss att göra detta kan översättas från teorin som ligger till grund för datortomografi."

Förutom att mönstra ljuset, som kräver komplexa beräkningar för att få de exakta formerna och intensiteterna rätt, den andra stora utmaningen som forskarna stod inför var hur man formulerar ett material som förblir flytande när det utsätts för lite ljus, men reagerar för att bilda en fast substans när den utsätts för mycket ljus.

"Den vätska som du inte vill bota är att ljusstrålar passerar genom den, så det måste finnas en tröskel för ljusexponering för denna övergång från flytande till fast, " sa Taylor.

3-D-printhartset är sammansatt av flytande polymerer blandade med ljuskänsliga molekyler och löst syre. Ljus aktiverar den ljuskänsliga föreningen som bryter ner syret. Endast i de 3D-regioner där allt syre har förbrukats bildar polymererna "tvärbindningarna" som omvandlar hartset från en vätska till en fast substans. Oanvänd harts kan återvinnas genom att värma upp den i en syreatmosfär, sa Taylor.

"Vår teknik genererar nästan inget materialavfall och det ohärdade materialet är 100 procent återanvändbart, sa Hossein Heidari, en doktorand i Taylors labb vid UC Berkeley och medförfattare till verket. "Detta är ytterligare en fördel som kommer med stödfri 3D-utskrift."

Objekten behöver inte heller vara genomskinliga. Forskarna tryckte föremål som verkar vara ogenomskinliga med hjälp av ett färgämne som överför ljus vid den härdande våglängden men absorberar de flesta andra våglängder.

"Detta är särskilt tillfredsställande för mig, eftersom det skapar ett nytt ramverk av volymetrisk eller "allt-på-en gång" 3-D-utskrift som vi har börjat etablera under de senaste åren, sa Maxim Shusteff, en personalingenjör vid Livermore-labbet. "Vi hoppas att detta kommer att öppna vägen för många andra forskare att utforska detta spännande teknikområde."