Een nieuwe 3D-printer gebruikt licht om kleverige vloeistoffen in slechts enkele minuten om te zetten in complexe vaste objecten.

Bijgenaamd de "replicator" door de uitvinders - naar het Star Trek-apparaat dat elk object op aanvraag kan materialiseren - kan de 3D-printer objecten maken die gladder zijn, flexibeler en complexer dan wat mogelijk is met traditionele 3D-printers. Het kan ook een reeds bestaand object omhullen met nieuwe materialen, bijvoorbeeld het toevoegen van een handvat aan een metalen schroevendraaierschacht - waar huidige printers moeite mee hebben.

De technologie heeft het potentieel om de manier waarop producten van protheses tot brillenglazen worden ontworpen en vervaardigd, te transformeren. zeggen de onderzoekers.

"Ik denk dat dit een manier is om objecten nog meer massaal aan te passen, of het nu gaat om protheses of hardloopschoenen, " zei Hayden Taylor, assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en senior auteur van een paper waarin de printer wordt beschreven, die vandaag (31 januari) online verschijnt in het tijdschrift Wetenschap .

"Het feit dat je een metalen onderdeel of iets uit een ander productieproces zou kunnen nemen en er een aanpasbare geometrie aan zou kunnen toevoegen, Ik denk dat dat de manier kan veranderen waarop producten worden ontworpen, ' zei Taylor.

De meeste 3D-printers, inclusief andere op licht gebaseerde technieken, bouw 3D-objecten laag voor laag op. Dit leidt tot een "traptrede"-effect langs de randen. Ze hebben ook moeite met het maken van flexibele objecten omdat buigbare materialen tijdens het printproces kunnen vervormen, en steunen zijn nodig om objecten van bepaalde vormen af ​​te drukken, zoals bogen.

De nieuwe printer vertrouwt op een stroperige vloeistof die reageert om een ​​vaste stof te vormen bij blootstelling aan een bepaalde lichtdrempel. Door zorgvuldig vervaardigde lichtpatronen - in wezen "films" - op een roterende cilinder van vloeistof te projecteren, wordt de gewenste vorm "in één keer" vast.

"In principe, je hebt een kant-en-klare videoprojector, die ik letterlijk van thuis heb meegebracht, en dan sluit je hem aan op een laptop en gebruik je hem om een ​​reeks berekende beelden te projecteren, terwijl een motor een cilinder laat draaien met een 3D-printhars erin, Taylor zei. "Het is duidelijk dat er veel subtiliteiten in zitten - hoe je de hars formuleert, en, bovenal, hoe je de beelden berekent die worden geprojecteerd, maar de drempel om een ​​heel eenvoudige versie van deze tool te maken is niet zo hoog."

Taylor en het team gebruikten de printer om een ​​reeks objecten te maken, van een klein model van Rodin's "De Denker"-beeld tot een op maat gemaakt kaakbotmodel. Momenteel, ze kunnen objecten maken met een diameter tot tien centimeter.

"Dit is het eerste geval waarin we geen aangepaste 3D-onderdelen laag voor laag hoeven op te bouwen, " zei Brett Kelly, co-eerste auteur op het papier die het werk voltooide terwijl een afgestudeerde student samenwerkte aan UC Berkeley en Lawrence Livermore National Laboratory. "Het maakt 3D-printen echt driedimensionaal."

Een CT-scan - omgekeerd

De nieuwe printer is geïnspireerd op de computertomografie (CT)-scans die artsen kunnen helpen tumoren en breuken in het lichaam te lokaliseren.

CT-scans projecteren röntgenstralen of andere soorten elektromagnetische straling vanuit alle verschillende hoeken in het lichaam. Het analyseren van de patronen van uitgezonden energie onthult de geometrie van het object.

"In wezen hebben we dat principe omgekeerd, Taylor zei. "We proberen een object te creëren in plaats van een object te meten, maar eigenlijk kan veel van de onderliggende theorie die ons in staat stelt om dit te doen worden vertaald uit de theorie die ten grondslag ligt aan computertomografie."

Naast het patroon van het licht, die complexe berekeningen vereist om de exacte vormen en intensiteiten goed te krijgen, de andere grote uitdaging voor de onderzoekers was hoe een materiaal te formuleren dat vloeibaar blijft bij blootstelling aan een klein beetje licht, maar reageert tot een vaste stof bij blootstelling aan veel licht.

"De vloeistof die je niet wilt genezen, is dat er lichtstralen doorheen gaan, dus er moet een drempel zijn voor blootstelling aan licht voor deze overgang van vloeibaar naar vast, ' zei Taylor.

De 3D-printhars is samengesteld uit vloeibare polymeren vermengd met lichtgevoelige moleculen en opgeloste zuurstof. Licht activeert de lichtgevoelige verbinding die de zuurstof uitput. Alleen in die 3D-gebieden waar alle zuurstof is opgebruikt, vormen de polymeren de "verknopingen" die de hars van een vloeistof naar een vaste stof transformeren. Ongebruikte hars kan worden gerecycled door deze op te warmen in een zuurstofatmosfeer, zei Taylor.

"Onze techniek genereert bijna geen materiaalverspilling en het niet-uitgeharde materiaal is 100 procent herbruikbaar, " zei Hossein Heidari, een afgestudeerde student in Taylor's lab aan UC Berkeley en co-eerste auteur van het werk. "Dit is een ander voordeel van 3D-printen zonder ondersteuning."

De objecten hoeven ook niet transparant te zijn. De onderzoekers printten objecten die ondoorzichtig lijken te zijn met een kleurstof die licht doorlaat op de uithardende golflengte, maar de meeste andere golflengten absorbeert.

"Dit geeft mij bijzonder veel voldoening, omdat het een nieuw raamwerk creëert van volumetrisch of 'alles-in-een' 3D-printen dat we de afgelopen jaren zijn begonnen te vestigen, " zei Maxim Shusteff, een stafingenieur in het Livermore-lab. "We hopen dat dit de weg zal openen voor veel andere onderzoekers om dit opwindende technologiegebied te verkennen."