Stelt u zich eens een toekomst voor waarin u met een druk op de knop een volledige robot of een rekbaar, elektronisch medisch apparaat in 3D kunt printen - geen vervelende uren besteed aan het met de hand assembleren van onderdelen.

Die mogelijkheid is misschien dichterbij dan ooit dankzij een recente vooruitgang in 3D-printtechnologie onder leiding van ingenieurs van CU Boulder. In een nieuwe studie legt het team een ​​strategie uit voor het gebruik van momenteel beschikbare printers om materialen te maken die vaste en vloeibare componenten versmelten - een lastige prestatie als je niet wilt dat je robot instort.

"Ik denk dat er een toekomst is waarin we bijvoorbeeld een compleet systeem als een robot kunnen fabriceren met dit proces", zegt Robert MacCurdy, senior auteur van de studie en assistent-professor aan de Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering.

MacCurdy, samen met doctoraatsstudenten Brandon Hayes en Travis Hainsworth, publiceerden hun resultaten op 14 april in het tijdschrift Additive Manufacturing .

3D-printers zijn al lang het domein van hobbyisten en onderzoekers die in laboratoria werken. Ze zijn best goed in het maken van plastic dinosaurussen of losse onderdelen voor machines, zoals tandwielen of gewrichten. Maar MacCurdy gelooft dat ze nog veel meer kunnen doen:door vaste stoffen en vloeistoffen te mengen, kunnen 3D-printers apparaten produceren die flexibeler, dynamischer en potentieel nuttiger zijn. Ze omvatten draagbare elektronische apparaten met draden gemaakt van vloeistof in vaste substraten, of zelfs modellen die de zachtheid van echte menselijke organen nabootsen.

De ingenieur vergelijkt de vooruitgang met traditionele printers die in kleur printen, niet alleen in zwart-wit.

"Kleurenprinters combineren een klein aantal primaire kleuren om een ​​rijk scala aan afbeeldingen te creëren", aldus MaCurdy. "Hetzelfde geldt voor materialen. Als je een printer hebt die meerdere soorten materialen kan gebruiken, kun je ze op nieuwe manieren combineren en een veel breder scala aan mechanische eigenschappen creëren."

Lege ruimte

Om die eigenschappen te begrijpen, helpt het om 3D-printers te vergelijken met de normale printers in uw kantoor. Papierprinters creëren een afbeelding door vloeibare inkt in duizenden platte pixels te leggen. Inkjet 3D-printers daarentegen gebruiken een printkop om kleine vloeistofdruppeltjes, "voxels" genaamd (een combinatie van "volume" en "pixel"), op elkaar te laten vallen.

"Zeer snel nadat die druppeltjes zijn afgezet, worden ze blootgesteld aan helder, ultraviolet licht", zei MacCurdy. "De uithardbare vloeistoffen worden binnen een seconde of minder omgezet in vaste stoffen."

Maar, voegde hij eraan toe, er zijn veel gevallen waarin je wilt dat die vloeistoffen vloeibaar blijven. Sommige ingenieurs gebruiken bijvoorbeeld vloeistoffen of was om kleine kanaaltjes in hun vaste materialen te creëren, die ze later leegmaken. Het is een beetje zoals hoe druppels water een ondergrondse grot kunnen uithakken.

Ingenieurs hebben manieren bedacht om dat soort lege ruimtes in 3D-geprinte onderdelen te maken, maar het kost meestal veel tijd en moeite om ze schoon te maken. Ook de zenders moeten relatief eenvoudig blijven.

MacCurdy en zijn collega's besloten een manier te vinden om die beperkingen te omzeilen:beter inzicht in de omstandigheden waaronder ingenieurs tegelijkertijd vaste en vloeibare materialen kunnen printen.

Vloeibare moed

De onderzoekers ontwierpen eerst een reeks computersimulaties die de fysica van het naast elkaar printen van verschillende soorten materialen onderzochten. Een van de grote problemen, zei MacCurdy, is:"Hoe kun je voorkomen dat je druppeltjes vast materiaal zich vermengen met het vloeibare materiaal, zelfs als de druppeltjes vast materiaal direct op de vloeistofdruppels worden afgedrukt?"

Het team heeft een reeks regels opgesteld om hen daarbij te helpen.

"We ontdekten dat de oppervlaktespanning van een vloeistof kan worden gebruikt om vast materiaal te ondersteunen, maar het is nuttig om een ​​vloeibaar materiaal te kiezen dat dichter is dan het vaste materiaal - dezelfde fysica waarmee olie op water kan drijven", zei Hayes.

Vervolgens experimenteerden de onderzoekers in het lab met een echte 3D-printer. Ze laadden de printer op met een uithardbaar polymeer of plastic (de vaste stof) en met een standaard reinigingsoplossing (de vloeistof). Hun creaties waren indrukwekkend:de groep was in staat om draaiende lussen van vloeistof en een complex netwerk van kanalen in 3D te printen, vergelijkbaar met de vertakkende paden in een menselijke long.

"Beide structuren zouden bijna onmogelijk zijn geweest om te maken door eerdere benaderingen," zei Hainsworth.

MacCurdy is onlangs ook lid geworden van een team van onderzoekers van CU Boulder en de CU Anschutz Medical Campus die manieren ontwikkelen om realistische modellen van menselijk weefsel in 3D te printen. Artsen zouden deze modellen kunnen gebruiken om procedures te oefenen en diagnoses te stellen. Het project zal onder andere de liquid-solid-benadering van MacCurdy gebruiken.

"We hopen dat onze resultaten multi-materiaal inkjet 3D-printen met vloeistoffen en vaste stoffen toegankelijker zullen maken voor onderzoekers en enthousiastelingen over de hele wereld", zei hij.