Чтобы напечатать гибкое устройство, включая электронику, 3D-принтер должен иметь возможность плавно переходить от гибкого материала, который движется вместе с вашими суставами для носимых приложений, к жесткому материалу, который вмещает электронные компоненты. Также потребуется возможность встроить электрические схемы с использованием нескольких чернил с различной проводимостью и удельным сопротивлением, точно переключаясь между ними. И было бы идеально делать все это без остановки процесса печати.Возможность интегрировать разрозненные материалы и свойства в печатные объекты — это следующий рубеж в 3D-печати.
С этой целью исследователи из Гарварда разработали новые печатающие головки из нескольких материалов, которые смешивают и печатают концентрированные вязкоупругие чернила, которые позволяют одновременно контролировать состав и геометрию во время печати. Благодаря активному смешиванию и быстрому переключению сопел, эти новые печатающие головки изменяют состав материала на лету и могут открыть путь для полностью напечатанных на 3D-принтере носимых устройств, мягких роботов и электроники.Исследование проводилось под руководством Дженнифер А. Льюис, профессора Hansjorg Wyss по биологической инженерии Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им.
Джона А. Полсона (SEAS) и одного из основных преподавателей Института биологической инженерии Висса в Гарварде. Работа была опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).Смешивание сложных жидкостей — основа для печати широкого спектра материалов.
Но большинство подходов к смешиванию являются пассивными, когда два потока жидкостей сходятся в один канал, где они подвергаются диффузионному смешению. Этот метод хорошо работает с жидкостями с низкой вязкостью, но неэффективен с жидкостями с высокой вязкостью, такими как гели, особенно в небольших объемах в короткие сроки.Чтобы решить эту проблему, Льюис вместе с Томасом Обером, научным сотрудником Института Висса, разработал новую печатающую головку из нескольких материалов, основанную на активном смешивании; и Даниэле Форести, научный сотрудник Общества Бранко Вайсса. Активный смеситель эффективно смешивает широкий спектр сложных жидкостей с помощью вращающейся крыльчатки внутри микромасштабной форсунки.
«Пассивные смеси не гарантируют идеального смешивания материалов, особенно высоковязких чернил», — сказал Обер, первый автор статьи. «Мы разработали рациональную основу — и проверили ее экспериментально — для разработки активных микрожидкостных миксеров, которые могут смешивать самые разные материалы».Команда использовала эти знания для создания печатающих головок активного смешивания для создания трехмерного рисунка на неоднородных материалах.Исследовательская группа продемонстрировала несколько вариантов использования своей технологии активного смешивания.
Они показали, что силиконовые эластомеры можно легко напечатать в градиентной архитектуре, состоящей из мягких и жестких областей. Эти структуры могут найти потенциальное применение в гибкой электронике, носимых устройствах и мягкой робототехнике. Они также напечатали реактивные материалы, такие как двухкомпонентные эпоксидные смолы, которые обычно быстро затвердевают при соединении двух частей. Наконец, они показали, что проводящие и резистивные чернила можно смешивать по запросу для встраивания электрических схем в объекты 3D-печати.
«Недавняя работа Lewis Group является значительным достижением в области аддитивного производства», — сказал Кристофер Спадаччини, директор Центра инженерных материалов, производства и оптимизации Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора. «Допуская смешивание двух высоковязких материалов на лету, перспективы создания систем из смешанных материалов с несопоставимыми механическими и функциональными свойствами становятся намного более реалистичными. Раньше это было всего лишь концепцией. Эта работа станет основой для приложений, в которых требуется интегрированные электротехнические и конструкционные материалы ».
Лаборатория Льюиса также недавно разработала еще одну печатающую головку, которая может быстро переключаться между несколькими чернилами в одном сопле, устраняя структурные дефекты, которые часто возникают во время процесса переключения материалов.«Такая конструкция печатающей головки избавляет от необходимости выравнивать несколько сопел, а также запускать и останавливать поток чернил по запросу», — сказал Джеймс Хардин, первый автор недавно опубликованной статьи в Advanced Materials. Соавторами этой статьи являются Обер, научный сотрудник Александр Валентайн и Льюис.
«Вместе эти печатающие головки с активным смешиванием и переключением обеспечивают важный шаг вперед для многоматериальной 3D-печати», — сказал Льюис. «Они позволяют программно управлять составом и структурой материалов на микромасштабе, открывая новые возможности для создания материалов по дизайну».