Föreställ dig en framtid där du kan 3D-printa en hel robot eller stretchig, elektronisk medicinsk apparat med en knapptryckning – inga tråkiga timmar att sätta ihop delar för hand.

Den möjligheten kan vara närmare än någonsin tack vare en nyligen utvecklad 3D-utskriftsteknik ledd av ingenjörer på CU Boulder. I en ny studie lägger teamet fram en strategi för att använda för närvarande tillgängliga skrivare för att skapa material som smälter samman fasta och flytande komponenter – en svår bedrift om du inte vill att din robot ska kollapsa.

"Jag tror att det finns en framtid där vi till exempel skulle kunna tillverka ett komplett system som en robot med den här processen", säger Robert MacCurdy, senior författare till studien och biträdande professor vid Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering.

MacCurdy, tillsammans med doktoranderna Brandon Hayes och Travis Hainsworth, publicerade sina resultat den 14 april i tidskriften Additive Manufacturing .

3D-skrivare har länge varit provinsen för hobbyister och forskare som arbetar i labb. De är ganska bra på att göra plastdinosaurier eller enskilda delar till maskiner, som växlar eller leder. Men MacCurdy tror att de kan göra mycket mer:Genom att blanda fasta ämnen och vätskor kan 3D-skrivare få fram enheter som är mer flexibla, dynamiska och potentiellt mer användbara. De inkluderar bärbara elektroniska enheter med ledningar gjorda av vätska som finns i fasta substrat, eller till och med modeller som efterliknar squishiness av verkliga mänskliga organ.

Ingenjören jämför utvecklingen med traditionella skrivare som skriver ut i färg, inte bara svartvitt.

"Färgskrivare kombinerar ett litet antal primärfärger för att skapa ett rikt utbud av bilder," sa MaCurdy. "Detsamma gäller med material. Om du har en skrivare som kan använda flera typer av material kan du kombinera dem på nya sätt och skapa ett mycket bredare utbud av mekaniska egenskaper."

Tömt utrymme

För att förstå dessa egenskaper hjälper det att jämföra 3D-skrivare med vanliga skrivare på ditt kontor. Pappersskrivare skapar en bild genom att lägga ner flytande bläck i tusentals platta pixlar. Inkjet 3D-skrivare däremot använder ett skrivhuvud för att släppa små vätskepärlor, kallade "voxels" (en sammanblandning av "volym" och "pixel"), ovanpå varandra.

"Mycket snart efter att dessa droppar har deponerats, utsätts de för ett starkt, ultraviolett ljus," sa MacCurdy. "De härdbara vätskorna omvandlas till fasta ämnen inom en sekund eller mindre."

Men, tillade han, det finns många fall där du kanske vill att vätskorna ska förbli flytande. Vissa ingenjörer använder till exempel vätskor eller vaxer för att skapa små kanaler i sina fasta material, som de sedan tömmer ut vid en senare tidpunkt. Det är lite som hur droppar av vatten kan karva ut en underjordisk grotta.

Ingenjörer har kommit på sätt att göra den typen av tomma utrymmen i 3D-utskrivna delar, men det tar vanligtvis mycket tid och ansträngning att rengöra dem. Kanalerna måste också förbli relativt enkla.

MacCurdy och hans kollegor bestämde sig för att hitta en väg runt dessa begränsningar – bättre förståelse av villkoren som skulle tillåta ingenjörer att skriva ut fasta och flytande material samtidigt.

Flytande mod

Forskarna designade först en serie datorsimuleringar som undersökte fysiken i att skriva ut olika typer av material bredvid varandra. Ett av de stora problemen, sa MacCurdy, är:"Hur kan du förhindra att dina droppar av fast material blandas in i de flytande materialen, även när dropparna av fast material är tryckta direkt ovanpå de flytande dropparna?"

Teamet fastställde en uppsättning regler för att hjälpa dem att göra just det.

"Vi fann att ytspänningen hos en vätska kan användas för att stödja fast material, men det är bra att välja ett flytande material som är tätare än det fasta materialet - samma fysik som tillåter olja att flyta ovanpå vattnet." sa Hayes.

Därefter experimenterade forskarna med en riktig 3D-skrivare i labbet. De laddade skrivaren med en härdbar polymer, eller plast (det fasta), och med en standardrengöringslösning (vätskan). Deras skapelser var imponerande:gruppen kunde 3D-printa vridande slingor av vätska och ett komplext nätverk av kanaler som inte liknar de förgrenade banorna i en mänsklig lunga.

"Båda strukturerna skulle ha varit nästan omöjliga att göra genom tidigare tillvägagångssätt," sa Hainsworth.

MacCurdy gick också nyligen med i ett team av forskare från CU Boulder och CU Anschutz Medical Campus som utvecklar sätt att 3D-printa realistiska modeller av mänsklig vävnad. Läkare kan använda dessa modeller för att öva på procedurer och ställa diagnoser. Projektet kommer att använda MacCurdys vätske-fasta tillvägagångssätt bland andra verktyg.

"Vi hoppas att våra resultat kommer att göra multi-material bläckstråleskrivare 3D-utskrift med vätskor och fasta ämnen mer tillgänglig för forskare och entusiaster runt om i världen," sade han.