Onderzoekers van de Northwestern University hebben een nieuwe, futuristische 3D-printer die zo groot en zo snel is dat hij in slechts een paar uur een object ter grootte van een volwassen mens kan printen.

Genaamd HARP (high-area rapid printing), de nieuwe technologie maakt een recordbrekende doorvoer mogelijk die producten op aanvraag kan produceren. In de afgelopen 30 jaar, de meeste inspanningen op het gebied van 3D-printen waren gericht op het verleggen van de grenzen van legacy-technologieën. Vaak, het nastreven van grotere onderdelen is ten koste gegaan van de snelheid, doorvoer en resolutie. Met HARP-technologie, dit compromis is niet nodig, waardoor het kan concurreren met zowel de resolutie als de doorvoer van traditionele productietechnieken.

Het prototype HARP-technologie is 13 voet lang met een printbed van 6,25 vierkante voet en kan in een uur ongeveer een halve meter printen - een recorddoorvoer voor het 3D-printveld. Dit betekent dat het enkelvoudige, grote onderdelen of veel verschillende kleine onderdelen tegelijk.

"3D-printen is conceptueel krachtig, maar is praktisch beperkt, " zei Chad A. Mirkin van Northwestern, die de ontwikkeling van het product leidde. "Als we snel konden printen zonder beperkingen op materiaal en formaat, we zouden een revolutie teweeg kunnen brengen in de productie. HARP is klaar om dat te doen."

Mirkin voorspelt dat HARP in de komende 18 maanden commercieel beschikbaar zal zijn.

Het werk wordt op 18 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap . Mirkin is de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern en directeur van het International Institute of Nanotechnology. David Walker en James Hedrick, beide onderzoekers in het laboratorium van Mirkin, co-auteur van het papier.

Het koel houden

HARP gebruikt een nieuwe, patent aangevraagde versie van stereolithografie, een soort 3D-printen die vloeibaar plastic omzet in vaste objecten. HARP print verticaal en gebruikt geprojecteerd ultraviolet licht om de vloeibare harsen uit te harden tot gehard plastic. Dit proces kan stukken afdrukken die hard zijn, elastisch of zelfs keramiek. Deze continu geprinte onderdelen zijn mechanisch robuust in tegenstelling tot de gelamineerde structuren die gebruikelijk zijn bij andere 3D-printtechnologieën. Ze kunnen worden gebruikt als onderdelen voor auto's, vliegtuigen, tandheelkunde, steunzolen, mode en nog veel meer.

Een belangrijke beperkende factor voor de huidige 3D-printers is warmte. Elke op hars gebaseerde 3D-printer genereert veel warmte bij hoge snelheden, soms meer dan 180 graden Celsius. Dit leidt niet alleen tot gevaarlijk hoge oppervlaktetemperaturen, het kan er ook voor zorgen dat gedrukte onderdelen barsten en vervormen. Hoe sneller het is, hoe meer warmte de printer genereert. En als het groot en snel is, de hitte is ongelooflijk intens.

Dit probleem heeft de meeste 3D-printbedrijven overtuigd om klein te blijven. "Als deze printers op hoge snelheden draaien, veel warmte wordt gegenereerd door de polymerisatie van de hars, "Zei Walker. "Ze hebben geen manier om het te verdrijven."

'Vloeibare teflon'

De Northwestern-technologie omzeilt dit probleem met een anti-aanbakvloeistof die zich gedraagt ​​als vloeibare teflon. HARP projecteert licht door een raam om hars bovenop een verticaal bewegende plaat te laten stollen. De vloeibare teflon stroomt over het raam om warmte af te voeren en circuleert het vervolgens door een koeleenheid.

"Onze technologie genereert warmte net als de andere, "Zei Mirkin. "Maar we hebben een interface die de warmte afvoert."

"De interface is ook non-stick, waardoor de hars niet aan de printer zelf hecht, Hedrick voegde toe. "Dit verhoogt de snelheid van de printer met een factor honderd, omdat de onderdelen niet herhaaldelijk van de bodem van het drukvat hoeven te worden gekliefd."

Tot ziens, magazijnen

De huidige fabricagemethoden kunnen omslachtige processen zijn. Ze vereisen vaak het vullen van vooraf ontworpen mallen, die duur zijn, statisch en nemen waardevolle opslagruimte in beslag. Met behulp van mallen, fabrikanten printen onderdelen van tevoren - vaak raden ze hoeveel ze nodig hebben - en slaan ze op in gigantische magazijnen.

Hoewel 3D-printen de overgang maakt van prototyping naar productie, De grootte en snelheid van de huidige 3D-printers hebben hen beperkt tot productie in kleine series. HARP is de eerste printer die naast kleine onderdelen ook grote batches en grote onderdelen kan verwerken.

"Als je snel en groot kunt printen, het kan de manier waarop we over productie denken echt veranderen, "Zei Mirkin. "Met HARP, je kunt alles bouwen wat je wilt zonder mallen en zonder een magazijn vol onderdelen. Je kunt alles wat je maar kunt bedenken on-demand printen."

Grootste in zijn klasse

Terwijl andere printtechnologieën hun resolutie hebben vertraagd of verlaagd om groot te worden, HARP doet dergelijke concessies niet.

"Er zijn natuurlijk veel soorten 3D-printers - je ziet printers die gebouwen maken, bruggen en carrosserieën, en omgekeerd zie je printers die kleine onderdelen kunnen maken met zeer hoge resoluties, " zei Walker. "We zijn enthousiast, want dit is de grootste printer met de hoogste doorvoer in zijn klasse."

Printers op de schaal van HARP produceren vaak onderdelen die moeten worden geschuurd of bewerkt tot hun uiteindelijke geometrie. Dit voegt hoge arbeidskosten toe aan het productieproces. HARP behoort tot een klasse van 3D-printers die lichtpatronen met hoge resolutie gebruiken om kant-en-klare onderdelen te verkrijgen zonder uitgebreide nabewerking. Het resultaat is een commercieel haalbare route naar de productie van consumptiegoederen.

Nano wordt groot

Een wereldberoemde expert in nanotechnologie, Mirkin vond de kleinste printer ter wereld uit in 1999. Dip-pen nanolithografie genaamd, de technologie gebruikt een kleine pen om kenmerken op nanoschaal te patroon. Vervolgens heeft hij dit omgezet in een reeks kleine pennen die licht door elke pen geleiden om lokaal kenmerken van fotogevoelige materialen te genereren. De speciale non-stick-interface die in HARP wordt gebruikt, is ontstaan ​​tijdens het ontwikkelen van deze technologie tot een 3D-printer op nanoschaal.

"Vanuit een volumetrisch oogpunt, we hebben meer dan 18 orden van grootte overspannen, ' zei Mirkin.

De studie, "Snel, groot volume, thermisch gecontroleerd 3D-printen met behulp van een mobiele vloeistofinterface, " werd ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research (onderscheidingsnummer FA9550-16-1-0150), het Amerikaanse ministerie van Energie (onderscheidingsnummer DE-SC0000989) en de Sherman Fairchild Foundation.