Dodano: 01 luty 2019r.

Technologia rodem z science fiction. Nowa metoda druku 3D z wykorzystaniem światła

Naukowcy zaprezentowali drukarkę 3D, która buduje obiekt nie poprzez nakładanie warstwy po warstwie, tak jak robią to typowe drukarki, ale tworzy cały obiekt naraz. Urządzenie wykorzystuje światło i przypomina to, które można było obserwować serii „Star Trek”. Nosi też taką samą nazwę – Replikator.

 

Technologia druku przestrzennego tworzy obiekty poprzez nakładanie kolejnych warstw materiału, którym najczęściej są różnego rodzaju tworzywa sztuczne. Ale są też modele, który wykorzystują do druku żywice, gumy, metale, beton czy czekoladę. W przypadku tradycyjnej technologii budowa obiektu trwa wiele godzin, w zależności o jego złożoności. Jednak postęp w tej dziedzinie zaowocował nową technologią druku 3D, za pomocą której cały obiekt powstaje niemal w tym samym czasie, pozornie znikąd i dzieje się to w kilka minut.

Dzięki nowej technologii można tworzyć obiekty bardziej elastyczne i bardziej złożone niż to, co jest możliwe w tradycyjnych drukarkach 3D. Można również otoczyć istniejący obiekt nowymi materiałami - na przykład dodając uchwyt do metalowego śrubokrętu.

Urządzenie zostało opisane na łamach „Science”.

 

W popularnej serii „Star Trek” istniał tzw. replikator – urządzenie, za pomocą którego można było zmaterializować dowolny obiekt na żądanie. Gdy obserwuje się działanie urządzenia, trudno nie mieć wrażenia, że to żywcem wyjęty z sagi science fiction replikator. Tak też nazywają go jego twórcy.

Technologia opracowana przez naukowców z University of California, Berkeley może potencjalnie zmienić sposób, w jaki są projektowane i wytwarzane różne produkty - od protez po soczewki do okularów.

- Fakt, że można wziąć metalowy komponent lub coś, co jest wytworzone w innym procesie produkcyjnym i dodać do tego dostosowaną geometrię, może zmienić sposób projektowania produktów bez względu na to, czy będzie to proteza, czy buty do biegania - powiedział Hayden Taylor z UC Berkeley.

Większość drukarek 3D ma problem z tworzeniem elastycznych obiektów, ponieważ giętkie materiały mogą odkształcać się podczas procesu drukowania. Kłopoty pojawiają się także podczas druku obiektów o pewnych kształtach, takich jak chociażby łuki. Nowa technologia nie ma żadnego problemu z drukiem tego typu obiektów.

Nowa technologia funkcjonuje podobnie jak tomografia komputerowa, tylko w odwrotnej kolejności. W tomografach lampa rentgenowska obraca się wokół pacjenta wykonując wiele obrazów wnętrza ciała. Zdjęcia są wykonywane pod różnymi kątami i ich złożenie ujawnia geometrię obiektu, co robi już komputer. Badacze zdali sobie sprawę, że proces ten może zostać odwrócony.

Badacze przerobili trójwymiarowy model komputerowy obiektu na obrazy 2D pod różnymi kątami. Uzyskane obrazy wprowadzili do zwykłego projektora cyfrowego, który rzucał je na cylindryczny pojemnik wypełniony akrylanem - rodzajem syntetycznej żywicy. Podczas rzucania obrazów obejmujących 360 stopni, pojemnik obracał się o odpowiedni kąt.

– Podczas obrotu pojemnika, ilość światła, które pada na dowolny punkt może być niezależnie kontrolowana. Gdy całkowita ilość przekracza określoną wartość, ciecz staje się stała - wyjaśnił Taylor. Dzieje się tak dlatego, że substancja chemiczna w żywicy absorbuje fotony, a gdy osiąga pewną wartość progową, akrylan ulega polimeryzacji - cząsteczki żywicy łączą się w łańcuchy tworząc stały plastik.

Proces naświetlania zajmuje około dwóch minut dla obiektu o średnicy kilku centymetrów. Podczas testów zespół badaczy stworzył miniaturową wersję rzeźby Auguste'a Rodina „Myśliciel” o wysokości kilku centymetrów.

Taylor przyznał, że w badaniach korzystał z projektora, z którego na co dzień korzysta w domu. – Do projektora podłączasz laptopa i wyświetlasz wcześniej przygotowaną serię obrazów, podczas gdy cylinder, w którym jest żywica, obraca się – wyjaśnił uczony. Jednak to nie jest takie proste, jakby wydawało się po słowach Taylora. Cały proces jest wyrafinowany, szczególnie w sposobie formowania żywicy i wykonywaniu obliczeń potrzebnych do przygotowania wyświetlanych obrazów. Jednak, jak przyznał Taylor, by wykonać prosty obiekt, bariera nie jest wysoka.

Żywica wykorzystana przy prezentacji technologii składa się z ciekłych polimerów zmieszanych z fotoczułymi cząsteczkami i rozpuszczonym tlenem. Światło aktywuje światłoczuły związek, który usuwa tlen. Tylko w tych regionach, z których pozbyto się całego tlenu, polimery przekształcają żywicę z cieczy w ciało stałe. Niewykorzystaną żywicę można poddać recyklingowi.

- Nasza technika nie generuje praktycznie żadnych odpadów materiałowych, a nieutwardzony materiał jest w 100 proc. możliwy do ponownego wykorzystania - powiedział Hossein Heidari, współpracownik Taylora w UC Berkeley i współautor publikacji. - Jest to kolejna zaleta naszej technologii – dodał.

 

Źródło: University of California, Berkeley, Nature