3D-printen heeft een revolutie teweeggebracht in de gezondheidszorg, biomedische techniek, productie en kunstontwerp.

Er zijn succesvolle toepassingen gekomen ondanks het feit dat de meeste 3D-printtechnieken slechts onderdelen van één materiaal tegelijk kunnen produceren. Er zouden complexere toepassingen kunnen worden ontwikkeld als 3D-printers verschillende materialen zouden kunnen gebruiken en onderdelen van meerdere materialen zouden kunnen maken.

Nieuw onderzoek gebruikt verschillende golflengten van licht om deze complexiteit te bereiken. Wetenschappers van de Universiteit van Wisconsin-Madison ontwikkelden een nieuwe 3D-printer die patronen van zichtbaar en ultraviolet licht gebruikt om te bepalen welke van de twee monomeren worden gepolymeriseerd om een ​​vast materiaal te vormen. Verschillende lichtpatronen zorgen voor de ruimtelijke controle die nodig is om onderdelen uit meerdere materialen op te leveren. Het werk werd op 15 februari gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Zo verbazingwekkend als 3D-printen is, in veel gevallen biedt het slechts één kleur om mee te schilderen, " zegt UW-Madison hoogleraar chemie A.J. Boydston, die het recente werk leidde met zijn afgestudeerde student Johanna Schwartz. "Het veld heeft een volledig kleurenpalet nodig."

Boydston en Schwartz wisten dat verbeterde printmaterialen een chemische benadering vereisten als aanvulling op de technische vooruitgang.

"Dit is een verschuiving in hoe we denken over 3D-printen met meerdere soorten materialen in één object, Boydston zegt. "Dit is meer een benadering van een scheikundige van onderaf, van moleculen tot netwerken."

3D-printen is het proces van het maken van solide driedimensionale objecten uit een digitaal bestand door achtereenvolgens dunne lagen materiaal toe te voegen aan eerdere lagen. De meeste multi-materiaal 3D-printmethoden gebruiken afzonderlijke reservoirs van materialen om verschillende materialen op de juiste posities te krijgen.

Maar Boydston realiseerde zich dat een één vat, meercomponentenbenadering - vergelijkbaar met de eenpotsbenadering van een chemicus bij het synthetiseren van moleculen - zou praktischer zijn dan meerdere reservoirs met verschillende materialen. Deze benadering is gebaseerd op het vermogen van licht met verschillende golflengten om te bepalen welke uitgangsmaterialen in verschillende secties van het vaste product polymeriseren. Die uitgangsmaterialen beginnen als eenvoudige chemicaliën, bekend als monomeren, die samen polymeriseren tot een langere reeks chemicaliën, zoals hoe plastic wordt gemaakt.

"Als je een item in PowerPoint met verschillende kleuren kunt ontwerpen, dan kunnen we het afdrukken met verschillende composities op basis van die kleuren, ' zegt Schwartz.

Onderzoekers creëren meerdere digitale beelden die, wanneer gestapeld, maak een driedimensionaal ontwerp. De afbeeldingen bepalen of ultraviolet of zichtbaar licht wordt gebruikt om de uitgangsmaterialen te polymeriseren, die het uiteindelijke materiaal en zijn eigenschappen regelt, zoals stijfheid. De onderzoekers richten tegelijkertijd het licht van twee projectoren op een vat met vloeibare uitgangsmaterialen, waar lagen één voor één op een platform worden gebouwd. Nadat een laag is opgebouwd, het bouwplatform gaat omhoog, en licht helpt bij het bouwen van de volgende laag.

De belangrijkste hindernis die Boydston en Schwartz tegenkwamen, was het optimaliseren van de chemie van de uitgangsmaterialen. Ze overwogen eerst hoe de twee monomeren zich samen in één vat zouden gedragen. Ze moesten er ook voor zorgen dat de monomeren dezelfde uithardingstijden hadden, zodat de harde en zachte materialen in elke laag ongeveer tegelijkertijd klaar waren met drogen.

Met de juiste chemie op zijn plaats, Boydston en Schwartz konden nu precies dicteren waar elk monomeer in het geprinte object uithardde met behulp van ultraviolet of zichtbaar licht.

"In dit stadium we zijn er alleen in geslaagd om in één stap harde materialen naast zachte materialen te plaatsen, " zegt Boydston. "Er zijn veel onvolkomenheden, maar dit zijn spannende nieuwe uitdagingen."

Nutsvoorzieningen, Boydston wil deze onvolkomenheden aanpakken en open vragen beantwoorden, zoals welke andere monomeercombinaties kunnen worden gebruikt en of verschillende golflengten van licht kunnen worden gebruikt om deze nieuwe materialen uit te harden. Boydston hoopt ook een interdisciplinair team samen te stellen dat de impact van golflengte-gecontroleerde, 3D-printen van meerdere materialen.

De nieuwe benadering van de onderzoekers voor 3D-printen met meerdere materialen kan ontwerpers, artiesten, ingenieurs en wetenschappers om aanzienlijk complexere systemen te maken met 3D-printen. Toepassingen kunnen het maken van gepersonaliseerde medische hulpmiddelen omvatten, zoals prothesen, of de ontwikkeling van gesimuleerde organen en weefsels. Medische studenten zouden deze synthetische organen kunnen gebruiken voor training in plaats van, of voordat u werkt met, levende patiënten.

Het gebruik van chemische methoden om een ​​technisch knelpunt te elimineren, is precies wat de 3D-printindustrie nodig heeft om vooruit te komen. zegt Schwartz.

"Het is deze interface van chemie en techniek die het veld naar nieuwe hoogten zal stuwen, ' zegt Schwartz.