Nowa drukarka 3D oparta na świetle może tworzyć narzędzia kosmiczne w zerowej grawitacji

Nowa technika druku 3D obiecuje tworzyć obiekty za pomocą wiązek światła, pomagając wszystkim profesjonalistom - od zoologów po ludzi na statkach kosmicznych, którzy muszą wytwarzać narzędzia w zerowej grawitacji.

Technika opisana w artykule opublikowanym w czwartek w czasopiśmie Nauka, obejmuje świecące promienie światła na żółtą ciecz światłoczułą w celu utworzenia obiektów stałych. Oto jak działa ta nowa technika: Naukowcy tworzą model 3D obiektu, którego pragną, tworzą film i używają projektora do przesyłania informacji do obracającego się cylindra. Charakter cieczy oznacza, że ​​użytkownicy mogą otaczać inne przedmioty w żywicy; Jednym z takich przykładów jest stworzenie uchwytu śrubokrętu wokół kawałka metalu.

Hayden Taylor, adiunkt inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Kalifornijskim i starszy autor artykułu, opowiada Odwrotność że ta nowa technika drukowania 3D wykorzystuje istniejący sprzęt, ale czyni bardziej wyszukane wykorzystanie swojego oprogramowania.

„Aparatura wymagana do nowego procesu jest z natury prosta: wymaga projektora wideo - który może być standardowym projektorem poza półką - i stale obracającej się objętości materiału światłoczułego”, mówi Taylor. Wyjaśnia, że ​​trudną częścią są obliczenia użyte do przetłumaczenia modelu 3D na wideo - ale nawet to „można wykonać za pomocą komputera osobistego, jeśli to konieczne”.

Drukarka została zaprojektowana w oparciu o skany tomografii komputerowej, które są używane przez lekarzy do wykrywania guzów poprzez wysyłanie fal elektromagnetycznych do ciała. Zespół musiał obliczyć, ile światła należy wysłać i kiedy rotacja żywicy była pełna. Gdy światło uderza w żywicę, światłoczułe cząsteczki wyczerpują rozpuszczony tlen, tworząc stałą strukturę. Pozostały materiał nadaje się do ponownego wykorzystania w innych projektach, a metoda ta praktycznie nie wytwarza odpadów.

Pojawia się w czasie, gdy druk 3D przeżywa swój renesans, po masowym szumie wokół tego obszaru w 2013 roku. Tylko w ciągu ostatnich dwóch miesięcy naukowcy z Uniwersytetu Columbia odkryli drogę do drewna 3D, inny zespół zademonstrował, jak użytkownicy mogą stwórz całą scenę ślubu, a naukowcy z University of Michigan stworzyli metodę, która może drukować obiekty 100 razy szybciej niż wcześniej.

Typowe drukarki 3D mają tendencję do pracy jak ich odpowiedniki na bazie papieru, nakładając na siebie tworzywo ABS lub kwas polimlekowy, aby stopniowo tworzyć obiekty. Ta technika, znana jako modelowanie osadzania topionego, ma tendencję do wytwarzania obiektów z dużą prędkością, ale z małą dokładnością.

„Nie drukujemy warstwa po warstwie, jak to jest tradycyjne”, mówi Taylor. „W niektórych innych procesach stosowanie warstw grozi wprowadzeniem wewnętrznych pustych przestrzeni lub defektów i skutkuje powstaniem mniej gładkiej powierzchni, która może zmniejszyć wytrzymałość lub sprawić, że wytrzymałość będzie wysoce kierunkowa”.

Alternatywna technika, znana jako stereolitografia, stosowana przez zespół z University of Michigan, wykorzystuje laser ultrafioletowy do stworzenia obiektu w żywicy. Brzmi podobnie do techniki stosowanej przez zespół Taylora - dubbingowany litografia obliczeniowa osiowa - ale istnieje kilka interesujących różnic między technikami w nowej erze druku 3D.

„Nie rysujemy elementu w linii prostej, lecz zamiast tego obracamy objętość druku względem źródła światła”, mówi Taylor. „Oznacza to, że możemy naprawdę tworzyć wszystkie punkty obiektu 3D jednocześnie, a nie sekwencyjnie.

„Również w naszym procesie nie ma ruchu drukowanego obiektu względem otaczającego materiału podczas drukowania. Jest to bezprecedensowy aspekt naszego podejścia, które pozwala nam drukować na wyjątkowo wysokiej lepkości materiałach i eliminuje ograniczenia prędkości drukowania, które mogą być narzucone innym procesom przez przepływ płynu. ”

Jak ta nowa technika może być użyta na pokładach statków kosmicznych

Technika ta może nawet okazać się korzystna dla astronautów w kosmosie. Taylor mówi, że „z pewnością można sobie wyobrazić, że części wykonane za pomocą obliczeniowej litografii osiowej mogą być wykorzystane w przestrzeni”, dodając, że „spekulowałbym, że nieważkość może być w rzeczywistości dodatkową korzyścią dla tego procesu”.

Głównym problemem związanym z używaniem licencji CAL na Ziemi jest to, że obiekt może zatonąć w żywicy podczas renderowania. Zespół zaprojektował żywicę tak, aby obiekt nie tonął podczas procesu drukowania w żadnej mierzalnej odległości, ale praca w obniżonej grawitacji może sprawić, że zmiana ta będzie jeszcze mniejsza.

Jeśli Elon Musk i im podobni osiągną swoje marzenie o wysłaniu ludzi na Marsa i założeniu kolonii, może wyślą swoich odkrywców na czerwoną planetę z projektorem i olbrzymią kadzią z żywicy, gotowymi do stworzenia własnych narzędzi. Przynajmniej mieliby coś do oglądania.

Przeczytaj streszczenie artykułu zatytułowanego „Wytwarzanie przyrostowe objętościowe za pomocą tomograficznej rekonstrukcji” poniżej:

Produkcja addytywna zapewnia ogromną swobodę geometryczną i możliwość łączenia materiałów w złożone funkcje. Szybkość, geometria i ograniczenia jakości powierzchni procesów addytywnych są powiązane z uzależnieniem od warstw materiału. Pokazaliśmy jednoczesny druk wszystkich punktów w trójwymiarowym obiekcie, oświetlając obrotową objętość światłoczułego materiału dynamicznie rozwijającym się wzorem światła. Drukujemy elementy o wymiarach zaledwie 0,3 mm w inżynieryjnych polimerach akrylowych, a także drukujemy miękkie struktury o wyjątkowo gładkich powierzchniach w hydrożelu metakrylanowym żelatyny. Nasz proces pozwala nam konstruować komponenty, które otaczają inne wcześniej istniejące obiekty stałe, pozwalając na produkcję wielu materiałów. Opracowaliśmy modele opisujące możliwości prędkości i rozdzielczości przestrzennej. Pokazaliśmy również czasy drukowania 30-120 s dla różnych obiektów w skali centymetrowej.