En ny, ljusbaserad 3D-skrivare kan skapa rymdskeppsverktyg i noll gravitation

En ny 3D-tryckteknik lovar att tillverka föremål med ljusstrålar som hjälper alla yrkesverksamma - från zoologer till människor ombord på rymdskepp som behöver göra verktyg i nollgravitet.

Tekniken, som beskrivs i ett papper publicerat torsdag i tidningen Vetenskap, innebär att lysstrålar lyser på en gul ljuskänslig vätska för att skapa fasta föremål. Så här fungerar den här nya tekniken: Forskare skapar en 3D-modell av objektet de vill, skapar en film och använder en projektor för att stråla informationen till en roterande cylinder. Vätskans natur betyder att användare kan inkapsla andra föremål i harts; Att skapa ett skruvmejselhandtag runt en metall är ett sådant exempel.

Hayden Taylor, biträdande professor i maskinteknik vid University of California och senior författare av ett papper, berättar Omvänd att den här nya 3D-trycktekniken använder befintlig hårdvara men gör mer sofistikerad användning av programvaran.

"Den apparat som krävs för den nya processen är i sig enkel: det kräver en videoprojektor - som kan vara en standard utanför hyllprojektorn - och en stadig roterande volym av det ljuskänsliga materialet, säger Taylor. Den knepiga delen, förklarar han, är de beräkningar som används för att översätta 3D-modellen till en video - men även det "kan utföras med en persondator om det behövs."

Skrivaren var designad genom att titta på datortomografi som används av läkare för att hitta tumörer genom att skicka elektromagnetiska vågor in i kroppen. Laget behövde beräkna hur mycket ljus som ska skickas och när som cylinderens fulla harts roterades. När ljuset träffar hartset, tömmer fotokänsliga molekyler det upplösta syret för att skapa en solid struktur. Återstående material är återanvändbart för andra projekt, och metoden skapar praktiskt taget inget slöseri.

Det kommer på en tid då 3D-utskrift upplever något av en renässans, efter masshype runt området 2013. De senaste två månaderna ensam har forskare vid Columbia University upptäckt en väg till 3D-utskriftskräv, ett annat team visade hur användarna kan skapa en hel bröllopsplats, och forskare vid University of Michigan har skapat en metod som kan skriva ut objekt 100 gånger snabbare än tidigare.

Typiska 3D-skrivare tenderar att fungera som sina pappersbaserade motsvarigheter, som lägger på antingen ABS-plast eller polymjölksyra för att gradvis bilda föremål. Denna teknik, känd som smält depositionsmodellering, tenderar att producera föremål med hög hastighet men låg noggrannhet.

"Vi skriver inte ut lager för lager, vilket är traditionellt", säger Taylor. "I vissa andra processer riskerar användningen av lager att införa inre hål eller defekter och resulterar i en mindre än jämn yta, som båda kan minska styrkan eller göra styrkan högt riktad."

En alternativ teknik, känd som stereolitografi, som används av laget vid University of Michigan, använder en ultraviolett laser för att skapa ett föremål i harts. Det låter liknar tekniken som används av Taylors lag - dubbed beräknad axiell litografi - men det finns några intressanta skillnader mellan teknikerna i denna nya era av 3D-utskrift.

"Vi ritar inte komponenten i en rak linje utan roterar i stället utskriftsvolymen relativt ljuskällan, säger Taylor. "Det betyder att vi verkligen kan skapa alla punkter i ett 3D-objekt samtidigt snarare än i följd.

"I vår process finns det ingen rörelse för det tryckta objektet i förhållande till det omgivande materialet under utskrift. Det här är en ovanlig aspekt av vårt tillvägagångssätt som gör det möjligt för oss att skriva ut till material med extremt hög viskositet och eliminerar de tryckhastighetsbegränsningar som kan införas på andra processer genom fluidflöde."

Hur denna nya teknik kan användas ombord rymdskepp

Tekniken kan till och med vara till nytta för astronauterna i rymden. Taylor säger att det är "säkert tänkbart att delar som gjordes av beräknad axiell litografi skulle kunna användas i rymden", och tillade att "jag skulle spekulera på att viktlösheten faktiskt kan vara en extra fördel för processen."

Huvudproblemet med att använda CAL på jorden är att objektet kan sjunka i hartset som det görs. Teamet har utformat hartsen så att objektet inte sjunker under utskriftsprocessen med något mätbart avstånd, men att arbeta i minskad tyngdkraft kan göra att förändringen blir ännu mindre.

Om Elon Musk och liknande uppnår sin dröm om att skicka människor till Mars och starta en koloni, kanske de skickar sina upptäcktsresande till den röda planeten med en projektor och ett jättekt harts av harts, redo att tillverka sina egna verktyg. Åtminstone skulle de ha något att använda för att titta på filmer.

Läs abstraktet av papperet med titeln "Volumetrisk tillsatsframställning via tomografisk rekonstruktion" nedan:

Additiv tillverkning lovar enorm geometrisk frihet och möjligheten att kombinera material för komplexa funktioner. Hastigheten, geometrin och ytkvalitetsbegränsningarna för tillsatsprocesser är kopplade till beroendet på materiallagring. Vi demonstrerade samtidig utskrift av alla punkter inom ett tredimensionellt objekt genom att belysa en roterande volym ljuskänsligt material med ett dynamiskt utvecklande ljusmönster. Vi skriver ut funktioner så små som 0,3 mm i akrylpolymerer, samt trycker mjuka strukturer med exceptionellt släta ytor i en gelatinmetakrylathydrogel. Vår process gör det möjligt för oss att konstruera komponenter som omfattar andra befintliga fasta föremål, vilket möjliggör tillverkning av flera material. Vi utvecklade modeller för att beskriva hastighet och rymdupplösning. Vi visade också trycktider på 30-120 s för olika centimeterskala objekt.