Исследователи из Мичиганского университета показали, что вместо создания слоёв пластиковых нитей слой за слоем новый подход к трехмерной печати поднимает сложные формы из чана с жидкостью до 100 раз быстрее, чем обычные процессы трехмерной печати.

3-D печать может изменить игру для относительно небольших производственных заданий, производя меньше чем 10 000 идентичных предметов, потому что это будет означать, что объекты могут быть изготовлены без необходимости литейной формы стоимостью более 10 000 долларов. Но наиболее знакомая форма 3-D печати, которая похожа на создание 3-D объектов с последовательностью 1D линий, не смогла восполнить этот пробел в типичные производственные сроки недели или двух.

«Используя обычные подходы, это невозможно на самом деле, если у вас нет сотен машин», — сказал Тимоти Скотт, доцент кафедры химического машиностроения UM, который руководил разработкой нового подхода к трехмерной печати совместно с Марком Бернсом, профессором TC Chang из Инжиниринг в УМ.

Их метод отверждает жидкую смолу, используя два источника света, чтобы контролировать, где смола затвердевает и где она остается жидкой. Это позволяет команде укрепить смолу в более сложных образцах. Они могут сделать трехмерный барельеф одним выстрелом, а не серией 1-мерных линий или 2-мерных сечений. Их печатные демонстрации включают решетку, игрушечную лодку и блок М.

«Это один из первых настоящих 3D-принтеров», — сказал Бернс, профессор химического машиностроения и биомедицинской инженерии.

Этот подход к 3D-печати использует два источника света, один для инициирования реакции затвердевания и один для ее остановки, что позволяет точно контролировать печать как во времени, так и в пространстве. Блок М в видео напечатан, когда его постоянно вытаскивают из ванны со смолой. Предоставлено: Эван Догерти, Управление коммуникаций и маркетинга, Университет штата Мичиган, Технический колледж.
Но настоящий трехмерный подход — это не просто трюк — необходимо было преодолеть ограничения прежних усилий по печати на чанах. А именно, смола имеет тенденцию затвердевать в окне, через которое проходит свет, останавливая задание на печать, как только оно начинается.

Создавая относительно большую область, где не происходит затвердевание, более толстые смолы — возможно, с усилением порошковых добавок — могут быть использованы для производства более долговечных объектов. Этот метод также превосходит структурную целостность нити трехмерной печати, поскольку эти объекты имеют слабые места на границах раздела между слоями.

«Вы можете получить намного более жесткие, гораздо более износостойкие материалы», — сказал Скотт.

Более ранним решением проблемы затвердевания на окне было окно, пропускающее кислород. Кислород проникает в смолу и останавливает затвердевание возле окна, оставляя пленку жидкости, которая позволит удалить только что напечатанную поверхность.

Но поскольку этот зазор всего лишь примерно такой же толщины, как кусок прозрачной ленты, смола должна быть очень жидкой, чтобы течь достаточно быстро в крошечный зазор между вновь затвердевшим объектом и окном, когда деталь тянет вверх. Это ограничивает печать на чанах небольшими индивидуальными продуктами, которые будут обрабатываться относительно бережно, такими как стоматологические устройства и стельки для обуви.

Заменив кислород вторым источником света, чтобы остановить затвердевание, команда из Мичигана может создать намного больший зазор между объектом и окном — толщиной в миллиметры — позволяя смоле течь в тысячи раз быстрее.

Ключ к успеху — химия смолы. В обычных системах существует только одна реакция. Фотоактиватор отверждает смолу везде, где светит свет. В системе Мичигана также есть фотоингибитор, который реагирует на другую длину волны света.

Вместо того, чтобы просто контролировать затвердевание в двумерной плоскости, как это делают современные методы печати в чанах, команда из Мичигана может нанести два вида света для отверждения смолы практически в любом трехмерном месте рядом с окном освещения.

UM подала три патентные заявки, чтобы защитить множество изобретательских аспектов этого подхода, и Скотт готовится к запуску начинающей компании.

Статья, описывающая это исследование, будет опубликована в журнале « Science Advances» под названием «Быстрое непрерывное производство добавок с помощью паттерна ингибирования объемной полимеризации».