Новые исследования в области 3D-печати несколькими материалами

В конструкции печатной головки использовано несколько активных смешивающих и быстро сменяющих друг друга сопел, таким образом, состав материала меняется прямо в процессе печати. Такой механизм смены материала может открыть новые возможности в сфере создания мягких роботов или устройств, предназначенных для носки. Результаты исследования команды, возглавляемой Дженнифер А. Льюис, руководителем Lewis Lab и одним из преподавателей Института биоинженерных исследований имени Вайса в Школе инженерных и прикладных наук имени Джона Полсона, были опубликованы в свежем выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.

Для того чтобы понять, какие предварительные исследования легли в основу этой технологии, сначала необходимо обозначить разницу между пассивным и активным смешиванием. Пассивное смешивание – это процесс, в ходе которого два потока жидкости смешиваются, будучи направленными в один канал, где они соединяются, как это свойственно жидким веществам. Эта технология отлично подходит в тех случаях, когда речь идет о более вязких жидкостях, о небольших объемах материалов или печати за короткое время.

С другой стороны, активное смешивание подразумевает использование вращающегося лопастного колеса, функция которого – способствовать смешиванию, перемещая материалы в небольшом пространстве, в данном случае – в микроскопическом сопле. Директор Центра материаловедения, производства и оптимизации при Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора Кристофер Спадаччини объясняет значение этого процесса для развития науки о материалах:

«Новые исследования группы Льюис стали существенным прорывом в сфере аддитивного производства. Сумев смешать два чрезвычайно вязких материала без остановки процесса печати, команда сделала гораздо более реальной перспективу создания систем производства, в которых смешиваются материалы с различными механическими и функциональными свойствами. Раньше эта область оставалась только на уровне концепции, однако эта работа становится основой для дальнейших исследований, особенно связанных с интеграцией электронных и структурных материалов».

Сами ученые показали несколько возможных применений для своей разработки, среди них – печать силиконовых эластомеров в неоднородных конструкциях, одни участки которых должны быть пластичнее других. Кроме того, в таком процессе могут применяться реактивные материалы, такие как эпоксидные смолы, твердеющие при смешении с другим материалом.

Активное смешивание – не единственное достижение команды ученых. Они также представили модель печатной головки, которая может быстро переключаться между материалами, используя всего одно сопло. Эта инновация способна решить проблемы, которые возникают при калибровке нескольких сопел, а также при постоянной остановке и запуске печати, необходимых ранее для 3D-печати различными материалами.

«Обе разработки, активное смешивание и новые печатные головки, вместе представляют собой значительное достижение в области 3D-печати несколькими материалами, – отмечают исследователи. – Они позволяют программировать и контролировать состав и структуру обоих материалов на микроуровне. Таким образом, можно создавать целый ряд новых материалов с конкретными параметрами».