En ny metod som utvecklats av MIT-forskare använder standard 3D-skrivare för att producera fungerande enheter med elektroniken redan inbäddad inuti. Enheterna är tillverkade av fibrer som innehåller flera sammankopplade material, som kan lysa upp, känna sin omgivning, lagra energi, eller utföra andra åtgärder.

Den nya 3D-utskriftsmetoden beskrivs i tidskriften Naturkommunikation , i en uppsats av MIT -doktoranden Gabriel Loke, professorerna John Joannopoulos och Yoel Fink, och fyra andra på MIT och på andra håll.

Systemet använder konventionella 3D-skrivare utrustade med ett speciellt munstycke och en ny typ av filament för att ersätta det vanliga polymermaterialet i ett material, som vanligtvis blir helt smält innan den extruderas från skrivarens munstycke. Forskarnas nya glödtråd har en komplex intern struktur som består av olika material arrangerade i en exakt konfiguration, och är omgiven av polymerbeklädnad på utsidan.

I den nya skrivaren, munstycket fungerar vid en lägre temperatur och drar filamentet genom snabbare konventionella skrivare gör, så att endast dess yttre lager blir delvis smält. Interiören förblir sval och solid, med sina inbäddade elektroniska funktioner opåverkade. På det här sättet, ytan smälter precis tillräckligt för att den ska fästa fast vid intilliggande filament under tryckprocessen, för att producera en robust 3D-struktur.

De inre komponenterna i glödtråden inkluderar metalltrådar som fungerar som ledare, halvledare som kan användas för att styra aktiva funktioner, och polymerisolatorer för att förhindra att trådar kommer i kontakt med varandra. Som en demonstration, laget tryckte ut en vinge för ett modellflygplan, med hjälp av filament som innehöll både ljusemitterande och ljusdetekterande elektronik. Dessa komponenter kan potentiellt avslöja bildandet av eventuella mikroskopiska sprickor som kan utvecklas.

Medan filamenten som används i modellvingan innehöll åtta olika material, Loke säger att de i princip skulle kunna innehålla ännu mer. Fram till detta arbete, han säger, "en skrivare som kan avsätta metaller, halvledare, och polymerer i en enda plattform existerade fortfarande inte, för att skriva ut vart och ett av dessa material kräver olika hårdvaror och tekniker. "

Denna metod är upp till tre gånger snabbare än någon annan nuvarande metod för tillverkning av 3D-enheter, Loke säger, och som med alla 3D-skrivare, erbjuder mycket mer flexibilitet när det gäller vilka former som kan produceras än vad typiska tillverkningsmetoder gör. "Unikt för 3D-utskrift, detta tillvägagångssätt kan konstruera enheter i alla former i fri form, som hittills inte kan uppnås med andra metoder, " han säger.

Metoden använder termiskt dragna fibrer som innehåller en mängd olika material inbäddade i dem, en process som Fink och hans medarbetare har gjort perfekt i två decennier. De har skapat en rad fibrer som har elektroniska komponenter i sig, gör fibrerna i stånd att utföra en mängd olika funktioner. Till exempel, för kommunikationsapplikationer, blinkande lampor kan överföra data som sedan tas upp av andra fibrer som innehåller ljussensorer. Detta tillvägagångssätt har för första gången producerat fibrer, och tyger vävda av dem, som har dessa funktioner inbyggda.

Nu, denna nya process gör hela denna familj av fibrer tillgängliga som råmaterial för att producera funktionella 3D-enheter som kan känna, kommunicera, eller lagra energi, bland andra åtgärder.

För att göra fibrerna själva, de olika materialen monteras inledningsvis till en större version som kallas en preform, som sedan värms upp och dras i en ugn för att producera en mycket smal fiber som innehåller alla dessa material, i samma exakta relativa positioner men kraftigt reducerade i storlek.

Metoden kan eventuellt utvecklas ytterligare för att producera en mängd olika typer av enheter, särskilt för applikationer där förmågan att exakt anpassa varje enhet är avgörande. Ett sådant område är för biomedicinsk utrustning, där det kan vara viktigt att anpassa enheten till patientens egen kropp, säger Fink, som är professor i materialvetenskap samt i elektroteknik och datavetenskap och VD för ideella Advanced Functional Fabrics of America.

Till exempel, protetiska lemmar kan någon gång skrivas ut med denna metod, matchar inte bara de exakta måtten och konturerna på patientens lem, men med all elektronik för att övervaka och kontrollera lemmen inbäddad på plats.

Över åren, gruppen har utvecklat ett brett utbud av fibrer som innehåller olika material och funktioner. Loke säger att nästan alla dessa kan anpassas för den nya 3D-trycktekniken, gör det möjligt att skriva ut objekt med en mängd olika kombinationer av material och funktioner. Enheten använder en standardtyp av 3D-skrivare som kallas en FDM-skrivare (fused deposition modellering), som redan finns i många laboratorier, kontor, och även hem.

En applikation som kan vara möjlig i framtiden skulle vara att skriva ut material för biomedicinska implantat som skulle ge en byggnadsställning för tillväxt av nya celler för att ersätta ett skadat organ, och inkludera sensorer för att övervaka utvecklingen.

Den nya metoden kan också vara användbar för prototyper av enheter-redan en stor applikation för 3D-utskrift, men i detta fall skulle prototyperna ha verklig funktionalitet, snarare än att vara statiska modeller.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.