Новая методика, разработанная исследователями из MIT, использует стандартные 3-D принтеры для производства функционирования устройств с электроникой уже встроен внутри. Приборы изготовлены из волокна, содержащего несколько взаимосвязанных материалов, которые могут загореться, ощутить свое окружение, сохраняют энергию или выполнять другие действия.
Новый 3-D печати метод описан в журнале Nature связи, в работе МИТ докторант Габриэль Лок, профессора Джона Joannopoulos и Йоэль Финк, а четыре других в Массачусетском технологическом институте и в других местах.
Система использует обычные 3-D принтеры оснащены специальной насадкой и новый вид нити, чтобы заменить обычный одиночный-материал полимерные нити, которые, как правило, получает полностью растаял, прежде чем он выдавливается из сопла принтера. Новых исследователей нить имеет сложную внутреннюю структуру, состоящую из различных материалов, расположенных в определенной конфигурации, окруженное полимерной оболочкой снаружи.
В новый принтер, сопло работает при более низкой температуре и тянет нить через быстрее обычных принтеров, так что только ее наружный слой становится частично расплавленном состоянии. Интерьер остается холодным и твердым, с его встроенных электронных функций в силе. Таким образом, на поверхности которой плавится просто достаточно, чтобы сделать его прочно придерживаться соседними нитями в процессе печати, чтобы произвести прочной 3-D структуры.
Внутренних компонентов в нити включают в себя металлические провода, которые служат в качестве проводников, полупроводников, которые могут быть использованы для управления активной функции, и полимерных изоляторов для предотвращения провода от контакта друг с другом. В качестве демонстрации, команда напечатано крыло для модели самолета, используя нити, которые содержат светоизлучающие и светочувствительные электроники. Эти компоненты потенциально могут выявить формирование микроскопические трещины, которые могут развиваться.
В то время как нити, используемые в модели крыла содержится восемь различных материалов, Лок говорит, что в принципе они могут содержать даже больше. Пока эта работа, говорит он, “принтер способен депонирование металлов, полупроводников и полимеров на одной платформе еще не существовало, потому что печати у каждого из этих материалов требует различного оборудования и техники”.
Этот метод в три раза быстрее, чем любой другой нынешний подход к изготовлению 3-D устройств, Лок говорит, и как со всеми 3-D принтеры, предлагает гораздо больше гибкости в отношении видов форм, которые могут быть произведены, чем традиционные методы производства делают. “Уникальным для 3-D печати, этот подход позволяет построить устройства любые произвольные формы, которые не могут быть достигнуты никакими другими методами до сих пор”, — говорит он.
Метод делает использование термически тянутся волокна, которые содержат множество различных материалов, внедренных в них, что Финк и его сотрудники отрабатывали в течение двух десятилетий. Они создали массив волокон, которые имеют электронные компоненты внутри них, делая волокна способны выполнять различные функции. Например, для коммуникационных приложений, мигающие огни могут передавать данные, которые затем подхватываются другими волокнами, содержащая датчики света. Этот подход был впервые произведен волокна и ткани из них, которые имеют эти встроенные функции.
Теперь, этот новый процесс делает это целое семейство волокон как сырья для получения функциональных 3-D устройств, которые могут чувствовать, общаться, или же хранить энергию, среди других действий.
Чтобы сделать себя волокон, различных материалов, первоначально собранные в более масштабную версию под названием заготовки, которые затем нагревают и тянет в печи для того чтобы произвести очень узкое волокно, которое содержит все те материалы, в их же относительной позиции, но значительно уменьшились в размерах.
Метод может быть развит в дальнейшем для производства различных видов устройств, особенно для приложений, где возможности точно настроить каждое устройство имеет важное значение. Одной из таких областей является для биомедицинских устройств, где соответствующие устройства для пациента собственного тела может быть важным, — говорит Финк, который является профессором материаловедения а также в области электротехники и компьютерных наук и директора некоммерческой передовые функциональные ткани из Америки, и заместитель директора научно-исследовательской лаборатории электроники.
Например, протезы конечностей может когда-нибудь будут напечатаны, используя этот метод, не только соответствующие точные размеры и контуры конечности пациента, но и со всеми электроники для контроля и управления конечность встроенного в место.
С годами группа разработала широкий спектр волокон, содержащие различные материалы и возможности. Лок говорит, что практически все из них могут быть адаптированы для нового 3-D-печати технология, позволяющая печатать объекты с большим разнообразием различных комбинаций материалов и функций. Устройство использует стандарт 3-D принтер, известный как моделирование методом наплавления (FDM) от принтера, которые уже найти во многих лабораториях, офисах, и даже дома.
Одно приложение, которое может быть в будущем можно будет печатать материалы для биомедицинских имплантов, что бы предоставить строительные леса для роста новых клеток, чтобы заменить поврежденный орган, и включать в себя датчики для наблюдения за ходом роста.
Новый метод также может быть полезно для создания прототипов устройств — уже серьезное приложение для 3-D печати, но в этом случае прототипы имели бы реальные возможности, а не статических моделей.
Исследовательская группа включала аспирант Массачусетского технологического института Роджер Юань; экс-МИТ аспирант Майкл Рейн, который сейчас работает в AFFOA; постдок Турал Худиев, и студент Яша Джейн в Университете Стони Брук в Нью-Йорке. Работа была частично поддержана Национальным научным фондом, научно-исследовательской лаборатории армии США и армии США исследовательского бюро Института нанотехнологий для солдат.
