Northwestern University-forskare har utvecklat en ny, futuristisk 3D-skrivare som är så stor och så snabb att den kan skriva ut ett föremål som är lika stort som en vuxen människa på bara ett par timmar.

Kallas HARP (high-area rapid printing), den nya tekniken möjliggör en rekordstor genomströmning som kan tillverka produkter på begäran. Under de senaste 30 åren, De flesta ansträngningar inom 3D-utskrift har varit inriktade på att tänja på gränserna för äldre teknologier. Ofta, jakten på större delar har kommit på bekostnad av hastighet, genomströmning och upplösning. Med HARP-teknik, denna kompromiss är onödig, gör det möjligt för den att konkurrera med både upplösningen och genomströmningen av traditionella tillverkningstekniker.

Prototypen HARP-teknologi är 13 fot hög med en 6,25 kvadratfot utskriftsbädd och kan skriva ut ungefär en halv yard på en timme – en rekordstor genomströmning för 3D-utskriftsfältet. Detta innebär att den kan skriva ut enstaka, stora delar eller många olika små delar på en gång.

"3D-utskrift är konceptuellt kraftfullt men har begränsats praktiskt, " sa Northwesterns Chad A. Mirkin, som ledde produktens utveckling. "Om vi ​​kunde skriva ut snabbt utan begränsningar av material och storlek, vi skulle kunna revolutionera tillverkningen. HARP är redo att göra det."

Mirkin förutspår att HARP kommer att vara tillgänglig kommersiellt under de kommande 18 månaderna.

Verket kommer att publiceras 18 oktober i tidskriften Vetenskap . Mirkin är George B. Rathmann professor i kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences och chef för International Institute of Nanotechnology. David Walker och James Hedrick, båda forskarna i Mirkins laboratorium, var medförfattare till tidningen.

Håller det svalt

HARP använder en ny, patentsökt version av stereolitografi, en typ av 3D-utskrift som omvandlar flytande plast till fasta föremål. HARP skriver ut vertikalt och använder projicerat ultraviolett ljus för att härda de flytande hartserna till härdad plast. Denna process kan skriva ut bitar som är hårda, elastisk eller till och med keramisk. Dessa kontinuerligt utskrivna delar är mekaniskt robusta i motsats till de laminerade strukturerna som är vanliga för andra 3D-utskriftsteknologier. De kan användas som delar till bilar, flygplan, tandvård, ortoser, mode och mycket mer.

En stor begränsande faktor för nuvarande 3D-skrivare är värme. Varje hartsbaserad 3D-skrivare genererar mycket värme när den körs i höga hastigheter – ibland över 180 grader Celsius. Detta leder inte bara till farligt heta yttemperaturer, det kan också göra att tryckta delar spricker och deformeras. Ju snabbare det går, desto mer värme genererar skrivaren. Och om det är stort och snabbt, värmen är otroligt intensiv.

Detta problem har övertygat de flesta 3D-utskriftsföretag att förbli små. "När dessa skrivare körs i höga hastigheter, mycket värme genereras från polymerisationen av hartset, "Sa Walker. "De har inget sätt att skingra det."

"Flytande Teflon"

Northwestern-tekniken kringgår detta problem med en nonstick-vätska som beter sig som flytande teflon. HARP projicerar ljus genom ett fönster för att stelna hartset ovanpå en vertikalt rörlig platta. Den flytande teflonen rinner över fönstret för att ta bort värme och cirkulerar sedan genom en kylenhet.

"Vår teknik genererar värme precis som de andra, " sa Mirkin. "Men vi har ett gränssnitt som tar bort värmen."

"Gränssnittet är också nonstick, som hindrar hartset från att fästa på själva skrivaren, ", tillade Hedrick. "Detta ökar skrivarens hastighet med hundra gånger eftersom delarna inte behöver klyvas upprepade gånger från botten av tryckkaret."

Adjö, lager

Nuvarande tillverkningsmetoder kan vara besvärliga processer. De kräver ofta fyllning av fördesignade formar, som är dyra, statisk och tar upp värdefullt lagringsutrymme. Använda formar, tillverkare skriver ut delar i förväg – ofta gissar de hur många de kan behöva – och lagrar dem i gigantiska lager.

Även om 3D-utskrift övergår från prototypframställning till tillverkning, nuvarande 3D-skrivares storlek och hastighet har begränsat dem till små serier. HARP är den första skrivaren som kan hantera stora partier och stora delar utöver små delar.

"När du kan skriva ut snabbt och stort, det kan verkligen förändra vårt sätt att tänka på tillverkning, " sa Mirkin. "Med HARP, du kan bygga vad du vill utan formar och utan ett lager fullt av delar. Du kan skriva ut allt du kan tänka dig på begäran."

Störst i sin klass

Medan andra utskriftstekniker har saktat ner eller minskat sin upplösning för att bli stor, HARP gör inte sådana eftergifter.

"Självklart finns det många typer av 3D-skrivare där ute - du ser skrivare som bygger byggnader, broar och karosser, och omvänt ser du skrivare som kan göra små delar med mycket höga upplösningar, ", sade Walker. "Vi är glada eftersom detta är den största och högsta skrivaren i sin klass."

Skrivare i HARP-skala producerar ofta delar som måste slipas eller bearbetas ner till sin slutliga geometri. Detta tillför en stor arbetskostnad för produktionsprocessen. HARP är i en klass av 3D-skrivare som använder högupplöst ljusmönster för att uppnå färdiga delar utan omfattande efterbearbetning. Resultatet är en kommersiellt gångbar väg till tillverkning av konsumentvaror.

Nano blir stort

En världskänd expert inom nanoteknik, Mirkin uppfann världens minsta skrivare 1999. Kallas dip-pen nanolitografi, Tekniken använder en liten penna för att mönstra funktioner i nanoskala. Han överförde sedan detta till en uppsättning små pennor som kanaliserar ljus genom varje penna för att lokalt generera egenskaper från fotokänsliga material. Det speciella nonstick-gränssnittet som används i HARP har sitt ursprung under arbetet med att utveckla denna teknik till en 3D-skrivare i nanoskala.

"Från en volymetrisk synvinkel, vi har sträckt oss över 18 storleksordningar, sa Mirkin.

Studien, "Snabb, stor volym, termiskt kontrollerad 3D-utskrift med hjälp av ett mobilt vätskegränssnitt, " fick stöd av Air Force Office of Scientific Research (utmärkelsenummer FA9550-16-1-0150), U.S. Department of Energy (utmärkelsenummer DE-SC0000989) och Sherman Fairchild Foundation.