En modell av Kyivs Saint Sophia-katedral i blått och gult i den ukrainska flaggan, gjord med iCLIP-metoden för 3D-utskrift, som möjliggör användning av flera typer – eller färger – av harts i ett enda föremål. Kredit:William Pan
Framsteg inom 3D-utskrift har gjort det lättare för designers och ingenjörer att skräddarsy projekt, skapa fysiska prototyper i olika skalor och producera strukturer som inte kan göras med mer traditionella tillverkningstekniker. Men tekniken har fortfarande begränsningar - processen är långsam och kräver specifika material som för det mesta måste användas ett i taget.
Forskare vid Stanford har utvecklat en metod för 3D-utskrift som lovar att skapa utskrifter snabbare genom att använda flera typer av harts i ett enda objekt. Deras design, publicerad nyligen i Science Advances , är 5 till 10 gånger snabbare än den snabbaste högupplösta utskriftsmetoden som finns tillgänglig för närvarande och skulle potentiellt kunna tillåta forskare att använda tjockare hartser med bättre mekaniska och elektriska egenskaper.
"Denna nya teknik kommer att hjälpa till att fullt ut realisera potentialen med 3D-utskrift", säger Joseph DeSimone, Sanjiv Sam Gambhir professor i translationell medicin och professor i radiologi och kemiteknik vid Stanford och motsvarande författare på tidningen. "Det kommer att tillåta oss att skriva ut mycket snabbare, vilket hjälper oss att inleda en ny era av digital tillverkning, samt möjliggöra tillverkning av komplexa, multi-material objekt i ett enda steg."
Kontrollera flödet av harts
Den nya designen förbättrar en metod för 3D-utskrift skapad av DeSimone och hans kollegor 2015 som kallas kontinuerlig flytande gränssnittsproduktion, eller CLIP. CLIP-utskrift ser ut som om det hör hemma i en science fiction-film – en stigande plattform drar smidigt objektet, till synes fullt format, från en tunn pöl av harts. Hartset vid ytan härdas till rätt form av en sekvens av UV-bilder som projiceras genom poolen, medan ett lager av syre förhindrar härdning i botten av poolen och skapar en "död zon" där hartset förblir i flytande form.
Dödzonen är nyckeln till CLIPs hastighet. När den fasta biten reser sig, är det meningen att det flytande hartset ska fyllas bakom det, vilket möjliggör jämn, kontinuerlig utskrift. Men detta händer inte alltid, särskilt om biten stiger för snabbt eller hartset är särskilt trögflytande. Med denna nya metod, kallad injektions-CLIP, eller iCLIP, har forskarna monterat sprutpumpar ovanpå den stigande plattformen för att lägga till ytterligare harts vid viktiga punkter.
"Hartsflödet i CLIP är en mycket passiv process - du bara drar upp föremålet och hoppas att sug kan föra material till det område där det behövs", säger Gabriel Lipkowitz, en Ph.D. student i maskinteknik vid Stanford och huvudförfattare på tidningen. "Med den här nya tekniken injicerar vi aktivt harts på de områden av skrivaren där det behövs."
Hartset levereras genom ledningar som skrivs ut samtidigt med designen. Ledningarna kan tas bort efter att objektet är färdigställt eller så kan de införlivas i designen på samma sätt som vener och artärer är inbyggda i vår egen kropp.
Multimaterialutskrift
Genom att injicera ytterligare harts separat, ger iCLIP möjligheten att skriva ut med flera typer av harts under utskriftsprocessen – varje nytt harts kräver helt enkelt sin egen spruta. Forskarna testade skrivaren med så många som tre olika sprutor, var och en fylld med harts färgat i en annan färg. De tryckte framgångsrikt modeller av kända byggnader från flera länder i färgen på varje lands flagga, inklusive Saint Sophia Cathedral i blått och gult i den ukrainska flaggan och Independence Hall i amerikanskt rött, vitt och blått.
"Förmågan att göra föremål med varierande material eller mekaniska egenskaper är en helig gral av 3D-utskrift", säger Lipkowitz. "Applikationerna sträcker sig från mycket effektiva energiabsorberande strukturer till objekt med olika optiska egenskaper och avancerade sensorer."
Efter att framgångsrikt ha visat att iCLIP har potential att skriva ut med flera hartser, arbetar DeSimone, Lipkowitz och deras kollegor på mjukvara för att optimera utformningen av vätskedistributionsnätverket för varje tryckt del. De vill säkerställa att designers har fin kontroll över gränserna mellan hartstyper och potentiellt påskynda utskriftsprocessen ytterligare.
"En designer ska inte behöva förstå vätskedynamik för att skriva ut ett objekt extremt snabbt", säger Lipkowitz. "Vi försöker skapa effektiv programvara som kan ta en del som en designer vill skriva ut och automatiskt generera inte bara distributionsnätverket, utan också bestämma flödeshastigheterna för att administrera olika hartser för att uppnå ett multimaterialmål." + Utforska vidare
