Superhiter 3D-tiskalnik, ki mu znanstveniki pravijo “Replikator”

Fabrication Station3D tiskalniki delujejo tako, da predmete natisnejo plast za plastjo. Pri večjih predmetih lahko ta postopek traja ure ali celo dneve. Zdaj pa so znanstveniki z univerze v Kaliforniji v Berkeleyju našli bližnjico: tiskalnik, ki lahko v enem poskusu izdela predmete s pomočjo svetlobe – in takšen, ki bi lahko revolucioniral hitro proizvodno tehnologijo

Replikator

Raziskava, ki je bila objavljena v reviji Science, opisuje tiskalnik, ki so ga raziskovalci poimenovali “replikator”, s čim je prikimal na vesolje “Zvezdnih stez”. Deluje bolj kot skeniranje z računalniško tomografijo (CT) kot pa običajni 3D tiskalnik. 3D-sliko ustvari s skeniranjem predmeta iz več kotov, nato pa ga projicira v cev s sintetično smolo, ki se strdi, ko je izpostavljena določeni intenzivnosti svetlobe. Primer hitrosti takšnega tiskalnika, v dveh minutah je ekipa lahko izdelala drobno figurico slavnega kipa Augusta Rodina “Mislec”.

3D tiskanje 2.0

Replikator ima lahko prelomne posledice, vendar ima tudi nekatere lastne omejitve: predmeti, ki jih proizvaja, so majhni in za izdelavo potrebujejo posebno sintetično smolo. Toda to je vznemirljiva nova tehnologija – in tista, ki bi lahko vodila v prihodnost “Zvezdnih stez”.


Photo by Kate Trifo from Pexels

Volumetrična aditivna proizvodnja s tomografsko rekonstrukcijo

Večina tehnik 3D tiskanja vključuje dodajanje materiala po plasteh. To določa nekatere omejitve glede vrst aplikacij, za katere je primerno 3D tiskanje, na primer tiskanje okoli že obstoječega predmeta. Kelly et al. predstavi drugačno metodo za izdelavo z vrtenjem fotopolimera v dinamično razvijajočem se svetlobnem polju. To jim je omogočilo, da so skozi celotno revolucijo natisnili celotne zapletene predmete, pri čemer so se izognili potrebi po slojih. Metoda je lahko še posebej uporabna za visoko viskozne fotopolimere in izdelavo iz več materialov.

Izdelava aditivov obljublja izjemno geometrijsko svobodo in možnost kombiniranja materialov za zapletene funkcije. Omejitve hitrosti, geometrije in kakovosti površine aditivnih procesov so povezane z njihovo odvisnostjo od nanosa materialov. Dokazali so možnost sočasnega tiskanja vseh točk v tridimenzionalnem objektu z osvetlitvijo vrtečega se volumna fotoobčutljivega materiala z dinamično razvijajočim se svetlobnim vzorcem. Na inženirske akrilnate polimere so natisnili elemente majhne le 0,3 milimetra, mehke strukture z izjemno gladkimi površinami pa so natisnili v želatinskem metakrilatnem hidrogelu. Njihov postopek omogoča izdelavo komponent, ki obdajajo druge že obstoječe trdne predmete, kar omogoča izdelavo iz veči materialov hkrati. Razvili so modele za opis hitrosti in zmogljivosti prostorske ločljivosti ter prikazali čas tiskanja od 30 do 120 sekund za različne predmete.

Tehnologije aditivne proizvodnje (AM) se vedno bolj uporabljajo za izdelavo končnih, več komponentnih in več materialnih delov. Izpolnjujejo potrebe izdelave v aplikacijah, vključno z medicinskimi pripomočki, specifičnimi za bolnika, optiko, mikrofluidiko, letalskimi vesoljskimi komponentami, pritrditvijo in orodjem. Trenutni procesi AM ustvarjajo tridimenzionalne geometrije s ponavljajočimi se 1D ali 2D enotami. Takšni pristopi po plasteh omejujejo prepustnost, poslabšujejo kakovost površine, omejujejo geometrijske zmožnosti, povečujejo zahteve po naknadni obdelavi in ​​lahko povzročijo anizotropijo mehanskih lastnosti. Tehnika izdelave, ki lahko istočasno izdela vse točke znotraj poljubne 3D geometrije, bi ponudila drugačno strategijo za reševanje teh težav in dopolnila obstoječe metode AM. Metoda, ki volumetrično oblikuje dele, omogoča različne načine za integracijo več komponent in lahko razširi materialno krajino, da izboljša funkcionalnost končnih delov.

Razvili so metodo CAL, računalniško osno litografijo, ki je omogočila volumetrično sintezo poljubnih geometrij s fotopolimerizacijo. Pristop CAL ima več prednosti pred običajnimi metodami tiskanja na osnovi slojev. Metoda se lahko uporabi za izogibanje nosilnim konstrukcijam, saj lahko tiskamo v visoko viskozne tekočine ali celo trdne snovi. Z našim pristopom je možno tudi tiskanje 3D struktur okoli že obstoječih trdnih komponent. CAL je prilagodljiv za večje količine tiskanja in je v nekaj pogojih hitrejši kot plastne metode.

Proizvodni sistem CAL, ki so ga razvili, selektivno strdi fotoobčutljivo tekočino v zaprti prostornini. Svetlobno energijo so projecirali v obliki 2D slik. Vsaka projekcija slike se skozi material širi z drugega zornega kota. Superpozicija izpostavljenosti iz več kotov povzroči odmerek 3D energije, ki zadošča za strjevanje materiala v želeni geometriji. Postopek so navdihnili postopki rekonstrukcije slike računalniške tomografije (CT), tehnike, ki se pogosto uporablja v medicinskem slikanju in nedestruktivnem testiranju. Osrednji zasnove CT se lahko neposredno uporabijo pri izdelavi aditivov. S tem povezana metoda dovajanja odmerka je intenzivnost modulirane radioterapije (IMRT) za zdravljenje raka. IMRT ustvari 3D-izpostavljenost znotraj bolnikovega telesa, da ciljno usmerja tumorske regije s kritičnim odmerkom sevanja, hkrati pa omejuje odmerek v regijah, ki vsebujejo vitalne organe. Proces CAL lahko obnovi natančno izklesano geometrijo, saj je odziv materiala na optični odmerek nelinearen, za razliko od IMRT.

Z uporabo komercialno dostopne projekcijske strojne opreme so dokazali zmogljivost njihovega sistema CAL za hiter čas izdelave. Dokončali so centimetrsko veliko strukturo v manj kot 1 minuti. Z intenzivnostjo v območju od 0,1 do 2,0 mW / cm2 smo v 30 do 300 so izdelali veliko paleto geometrij s prečnimi velikostmi do ~ 55 mm.

Sposobnost volumetričnega sintetiziranja geometrij po meri ponuja vrsto prednosti pri izdelavi pred metodami AM na osnovi slojev. Odprava nanosa je povzročila, da imajo deli izjemno gladke površine. Poleg tega CAL s hitrim izdelovanjem celotne 3D geometrije ne zahteva nobenih podpornih struktur tudi pri tiskanju elementov, ki se prepletajo, ali odklopljenih delov. Sistemska arhitektura, uporabljena v postopku izdelave CAL, ponuja tudi prednosti, kadar je pretvorjeni material z nizkim elastičnim modulom, ki je potreben za številne aplikacije modeliranja mehkih tkiv in biotiska. To smo dokazali s 3D vzorčenjem hidrogelnega materiala želatinmetakrilata (GelMA). Tiskanje tega materiala s postopnim plastnim postopkom bi bilo težko zaradi sil, ki so med gradnjo izpostavljene nepopolnim konstrukcijam.

CAL razširja tudi področje fotopolimerjev za AM, saj omogoča uporabo materialov z višjo viskoznostjo. Fotopolimerne tehnologije tiskanja na osnovi slojev običajno naložijo največjo mejo viskoznosti predpolimerne mešanice, da se smola lahko pretaka med tiskanjem naslednjih slojev. Da bi izpolnili to glavno konstrukcijsko omejitev, se fotopolimerne formulacije pogosto mešajo z reaktivnimi monomeri razredčil, da se zmanjša viskoznost smole. Ta postopek lahko negativno vpliva na lastnosti nastale trdne snovi. V postopku CAL lahko uporabimo bolj viskozne materiale, ker med tiskanjem ni potreben pretok materiala. CAL lahko tako omogoči tiskanje materialov, ki jih je sicer težko ali počasi tiskati v 3D zaradi visoke viskoznosti v obliki predhodnika. Primeri materialov so materiali z visoko togostjo in toplotno upornostjo , skupaj s silikoni.

CAL je zelo primeren za tiskanje materiala na kompleksno, že obstoječo 3D strukturo. Radonova preobrazba ima simetrijo premika 180°, ki omogoča tiskanje poljubnih geometrij na konveksne podlage z izpostavljenostjo iz polovičnega prostora kotov. Na kovinsko gred izvijača so sintetizirali polimerni ročaj, da dokažejo to sposobnost sinteze prilagojene geometrije na obstoječem serijsko izdelanem delu. Kovinski kos so pred vrtenjem med tiskanjem potopili v fotopolimer. Ta metodologija zagotavlja tehniko AM, analogno tehniko brizganja velikih količin pri preoblikovanju in oblikovanju vložkov. Ta zmožnost AM, ki jo imenujemo “pretisk”, odpira široko paleto možnosti za večprocesno AM. Na primer, pretisk se lahko uporabi za kapsuliranje elektronike, izboljšanje mehanskih lastnosti ortodontije ali izdelavo prilagojene zunanjosti predmeta z masovno izdelanim okostjem.

Modeliranje z vpijanjem svetlobe z vrtljivo prostornino smole kaže, da je čas osvetlitve, potreben za strjevanje, za določeno moč projektorja lahko minimaliziran, ko je koeficient vpijanja smole α enak recipročni vrednosti polmera tiska. Ta rezultat kaže, da je CAL že sam po sebi prilagodljiv za večje količine tiskanja, pri čemer so komponente s premerom ~ 0,5 m in podmilimetrske lastnosti izvedljive z močjo osvetlitve in ločljivostjo enega komercialno dostopnega projektorja. Združljivost CAL s sorazmerno šibko optično absorbirajočimi smolami, skupaj z majhno hrapavostjo površine, je še posebej privlačna za optične aplikacije. Te prednosti, dopolnjene s sposobnostjo kombiniranja materialov s pretiskom, lahko spodbudijo vključevanje CAL v množično proizvodnjo in druge tehnike AM za hitro in stroškovno učinkovito izdelavo biomaterialov in struktur, medicinskih in zobozdravstvenih pripomočkov ter vesoljskih aplikacij.