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光用于多种材料的三维印刷提供控制

Photo: Woman with lab coat stands next to equipment.

通过 斯蒂芬妮布拉什奇克
Science Communicator & 毕业 Student (Tang Group)

添加剂制造,通常称为3D印刷,已经彻底改变了医疗,生物医学工程,制造和艺术设计的领域。

奇怪的是,在这些领域取得突破成功,尽管大多数3D打印技术只能产生在同一时间由一种材料制成的零件一般限制。工业复兴可能只是一个长期挑战的另一面,并列不同的材料,创造多材料零部件。

新的研究使用不同波长的光来实现这一并列。科学家在威斯康辛麦迪逊大学开发的使用可见光或紫外线,以决定哪些两种单体的聚合形成的固体材料的新型三维打印机。光的图案化组合提供空间控制,得到多材料部件。作品发表二月15在自然杂志通讯(DOI:10.1038 / s41467-019-08639-7)。

Graphic: digital designs produced by 3D printers.

顶部图像示出数字化设计和它的印刷形式。紫色对应于紫外线固化环氧化物硬区域,而灰色区是柔软且柔顺可见光固化的丙烯酸酯的区域。在底部,用于3D印刷组的标识,MASC,变成两个僵硬,不透明区域和柔软,透明区域构成的印刷物。 图像礼貌A.J. boydston和约翰娜·施瓦茨

“为惊人的3D打印是,在许多情况下,它只是提供了一个颜色与画,说:”教授A.J. boydston,谁领导与他的研究生约翰娜施瓦茨的工作。 “该领域需要一个完整的调色板。”

boydston和施瓦茨知道改进的打印材料所需的化学方法,以补充现有的工程设计方面提供的进步。

“这是我们如何看待与多种类型的材料在一个目标3D打印的转变,” boydston说。 “这更多的是自下而上的化学家的方法,从分子到网络。”

三维打印是通过连续地加入材料的薄层上先前层的顶部从数字文件制作固体三维物体的过程。最多材料三维印刷方法使用的材料分开的贮存器,然后将它们存放或转出储存器以获得在指定位置不同的材料。

采取从他的化学背景的提示,boydston意识到,一个大桶,多组分的方法 - 合成分子,当类似化学家的一锅煮的做法 - 会比用不同的材料多水库更实用。此方法是基于不同波长的光的,其起始原料聚合成固体产品的不同部分的能力控制。这些起始原料,开始作为简单的化学物质,被称为光树脂,该聚合在一起成化学品的较长串,怎么样的塑料制成。

“如果你能设计出不同的颜色PowerPoint中的项目,然后我们可以根据这些颜色不同的成分进行打印,”施瓦茨说。

研究人员创建,当堆叠时,产生一个三维设计的多个数字图像。图像控制紫外光或可见光是否被用于聚合的原料,它控制最终材料及其性质,如硬度。研究人员从朝向液体的原料,其中层被内置一个接一个的平台上的一大桶两个投影仪同时直射光。一层建成后,将构建平台向上移动,光有助于建立下一层。

主要的障碍boydston和施瓦茨面临被优化新材料的化学性质。他们不得不考虑如何物理属性,如混溶性,与化学现象,如丙烯酸酯和环氧固化速率的同时,会影响最终产品。

施瓦茨开发丙烯酸酯和环氧化物单体的组合成包含两个环氧僵硬网络和软的水凝胶多材料物品。丙烯酸酯和环氧化物的固化可以光化学引发的,但光并负责各单体的引发化学反应的波长不同 - 使这些组分化学正交的。可见光固化优先丙烯酸酯,而紫外线更容易固化的环氧化物。这些部件结合起来,形成三维印刷产品以在空间上定义的化学异质性。

在适当位置,boydston和Schwartz正确的化学现在可以规定确切位置通过使用紫外光或可见光固化的印刷对象内的每个材料。

“在这个阶段,我们只完成投入一步旁软质材料的硬质材料,” boydston承认。 “有很多不完善的地方,但这些都是令人振奋的新的挑战。”

在不久的将来,boydston要解决这些缺陷,并回答开放性的问题,比如什么可以使用其他单体的组合,以及是否不同波长的光可用于治疗这些新材料。

boydston也希望能够组建一个跨学科的团队,可以提高波长控制,多材料3D打印的影响。

虽然这个项目从整个化学与工程学科的同事很多的互动中受益,打印机主要由施瓦茨,主要作者和boydston组中的高级研究生建成。

“约翰娜是真正的智慧驱动程序和动手的项目背后的肌肉,” boydston说。 “她建一个从无到有的定制3D打印机,记住她是一名化学博士研究生谁曾专注于化学合成。”

这个项目是由boydston组成员接受跨学科培训的体现。约翰娜以前在有机合成专业知识,加上她在光学对准和机械优化新开发的技术,已经在全国各地高素质的研究计划,导致她招聘。

用化学方法来消除工程的瓶颈是3D印刷业需要超越革命,向新的制造业复兴运​​动到底是什么。

“它是化学和工程,将现场推到新的高度的这个接口,”施瓦茨认为。

“我们认为还有很大的潜力,以扩大参与我们的技术在化学,但将需要从整个化学和工程学科的专家巨大的帮助和合作,”根据boydston。

多材料光化空间控制(MASC)打印设置在行动。两个投影仪被对准突出不同波长的图像同时进入树脂的大桶,其在一个时间治愈多材料对象的一个​​层。 (A.J. boydston和约翰娜施瓦茨的提供)
多材料光化空间控制(MASC)打印设置在行动。两个投影仪被对准突出不同波长的图像同时进入树脂的大桶,其在一个时间治愈多材料对象的一个​​层。 (A.J. boydston和约翰娜施瓦茨的提供)

研究人员的新途径多材料三维打印技术可以使设计师,艺术家,工程师和科学家们设想,并实现了从3D打印显著更复杂的系统。

“我们能想到的最尖端的设计通常在自然界中的生物,” boydston说。 “我的理想是让对手这些生物系统。”

实现增加设计的复杂性可能会提高自适应制造,个性化的医疗设备,如矫正器或假体。另一种途径的好处可能是改善培训材料,如模拟器官和组织的发展创造或。医学生可以使用这些合成生物模拟训练代替,或与现场工作的患者之前。

什么是新技术的最令人兴奋的?根据施瓦茨,“就像我们有光的全光谱一起玩,这对相关材料和化学物质全谱将是非常令人兴奋的。”

boydston补充说,“我们正准备在3D打印以前从来没有看地方看看。”

( - 不授予DGE-1256082 j.j.s.)这项工作是由美国陆军研究办公室(项目批准号W911NF-17-1-0595)和美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划资助。