Een nieuwe methode ontwikkeld door MIT-onderzoekers maakt gebruik van standaard 3D-printers om functionerende apparaten te produceren waarin de elektronica al is ingebouwd. De apparaten zijn gemaakt van vezels die meerdere onderling verbonden materialen bevatten, die kan oplichten, hun omgeving voelen, energie opslaan, of andere handelingen uitvoeren.

De nieuwe 3D-printmethode staat beschreven in het tijdschrift Natuurcommunicatie , in een paper van MIT-promovendus Gabriel Loke, professoren John Joannopoulos en Yoel Fink, en vier anderen aan het MIT en elders.

Het systeem maakt gebruik van conventionele 3D-printers die zijn uitgerust met een speciaal mondstuk en een nieuw soort filament om het gebruikelijke polymeerfilament uit één materiaal te vervangen. dat meestal volledig gesmolten wordt voordat het uit het mondstuk van de printer wordt geëxtrudeerd. Het nieuwe filament van de onderzoekers heeft een complexe interne structuur die bestaat uit verschillende materialen die in een precieze configuratie zijn gerangschikt, en is aan de buitenzijde omgeven door een polymeerbekleding.

Op de nieuwe drukker het mondstuk werkt op een lagere temperatuur en trekt het filament door snellere conventionele printers, zodat alleen de buitenste laag gedeeltelijk gesmolten wordt. Het interieur blijft koel en solide, met zijn ingebouwde elektronische functies onaangetast. Op deze manier, het oppervlak is net genoeg gesmolten om het tijdens het printproces stevig aan aangrenzende filamenten te laten hechten, om een ​​stevige 3D-structuur te produceren.

De interne componenten in de gloeidraad omvatten metalen draden die dienen als geleiders, halfgeleiders die kunnen worden gebruikt om actieve functies te besturen, en polymeerisolatoren om te voorkomen dat draden met elkaar in contact komen. Als demonstratie, het team heeft een vleugel geprint voor een modelvliegtuig, met behulp van filamenten die zowel lichtgevende als lichtdetecterende elektronica bevatten. Deze componenten kunnen mogelijk de vorming van microscopisch kleine scheurtjes onthullen die zich kunnen ontwikkelen.

Terwijl de filamenten die in de modelvleugel werden gebruikt, acht verschillende materialen bevatten, Loke zegt dat ze in principe nog meer zouden kunnen bevatten. Tot dit werk, hij zegt, "een printer die metalen kan deponeren, halfgeleiders, en polymeren in één enkel platform bestonden nog steeds niet, omdat het printen van elk van deze materialen andere hardware en technieken vereist."

Deze methode is tot drie keer sneller dan elke andere huidige benadering voor het fabriceren van 3D-apparaten, Lok zegt, en zoals bij alle 3D-printers, biedt veel meer flexibiliteit met betrekking tot de soorten vormen die kunnen worden geproduceerd dan typische productiemethoden. "Uniek voor 3D-printen, deze benadering is in staat om apparaten van elke vrije vorm te construeren, die tot dusver met geen enkele andere methode haalbaar zijn, " hij zegt.

De methode maakt gebruik van thermisch getrokken vezels die een verscheidenheid aan verschillende materialen bevatten die erin zijn ingebed, een proces dat Fink en zijn medewerkers al twee decennia perfectioneren. Ze hebben een reeks vezels gemaakt met elektronische componenten erin, waardoor de vezels verschillende functies kunnen vervullen. Bijvoorbeeld, voor communicatietoepassingen, knipperende lichten kunnen gegevens verzenden die vervolgens worden opgepikt door andere vezels die lichtsensoren bevatten. Deze aanpak heeft voor het eerst vezels geproduceerd, en stoffen die daaruit zijn geweven, waarin deze functies zijn ingebouwd.

Nutsvoorzieningen, dit nieuwe proces maakt deze hele familie van vezels beschikbaar als grondstof voor het produceren van functionele 3D-apparaten die kunnen voelen, communiceren, of energie opslaan, onder andere acties.

Om de vezels zelf te maken, de verschillende materialen worden in eerste instantie geassembleerd tot een grotere versie, een preform genaamd, die vervolgens wordt verwarmd en in een oven wordt getrokken om een ​​zeer smalle vezel te produceren die al die materialen bevat, in exact dezelfde relatieve posities, maar sterk verkleind.

De methode kan mogelijk verder worden ontwikkeld om een ​​verscheidenheid aan verschillende soorten apparaten te produceren, vooral voor toepassingen waarbij de mogelijkheid om elk apparaat nauwkeurig aan te passen essentieel is. Eén zo'n gebied is voor biomedische apparaten, waarbij het belangrijk kan zijn het apparaat aan het eigen lichaam van de patiënt aan te passen, zegt Fink, die een professor in materiaalkunde, elektrotechniek en computerwetenschappen is en de CEO van de non-profitorganisatie Advanced Functional Fabrics of America.

Bijvoorbeeld, prothetische ledematen kunnen ooit met deze methode worden afgedrukt, niet alleen overeenkomen met de precieze afmetingen en contouren van het ledemaat van de patiënt, maar met alle elektronica om het ledemaat op zijn plaats te controleren en te besturen.

Door de jaren heen, de groep heeft een breed scala aan vezels ontwikkeld met verschillende materialen en functionaliteiten. Loke zegt dat vrijwel al deze kunnen worden aangepast voor de nieuwe 3D-printtechniek, waardoor het mogelijk is om objecten te printen met een grote verscheidenheid aan verschillende combinaties van materialen en functies. Het apparaat maakt gebruik van een standaard type 3D-printer die bekend staat als een fused deposition modeling (FDM) printer, die al in veel laboratoria wordt aangetroffen, kantoren, en zelfs huizen.

Een toepassing die in de toekomst mogelijk zou kunnen zijn, is het printen van materialen voor biomedische implantaten die een steiger zouden bieden voor de groei van nieuwe cellen ter vervanging van een beschadigd orgaan, en neem daarin sensoren op om de voortgang van die groei te volgen.

De nieuwe methode zou ook nuttig kunnen zijn voor het maken van prototypes van apparaten - al een belangrijke toepassing voor 3D-printen, maar in dit geval zouden de prototypes daadwerkelijke functionaliteit hebben, in plaats van statische modellen te zijn.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.