Новая эра в технологии 3-D печати

В середине 15-го века, новая технология, которая изменит ход истории был изобретен. Печати Иоганн Гутенберг Пресс с подвижной тип, содействует распространению информации и идей, которые широко признаны основным фактором для возрождения.

Более 500 лет спустя, новый вид печати был изобретен в лабораториях Массачусетского технологического института. Эмануэль ЗакС, профессор машиностроения, изобрел процесс, известный как Jet связующего печати. В струи вяжущего печати, печатающая головка Inkjet выборочно капель жидкого связующего материала в порошок кровать — создает трехмерный объект слой за слоем.

Сакс придумал новое название для этого процесса: 3-D печать. “Мой отец был издателем и моя мама была редактором”, — объясняет ЗакС. “Когда я рос, мой отец возьмет меня в типографии, где его книги, которые повлияли на мое решение назвать процесс 3-D печати.”

Процесс реактивного связующего печати Сакс был одной из нескольких технологий, разработанных в 1980-х и 90-х в области, теперь известной как аддитивное производство, термин, который пришел, чтобы описать большое разнообразие слоя на основе технологии производства. За последние три десятилетия произошел взрыв в аддитивных исследований. Эти технологии имеют потенциал, чтобы изменить способ бесчисленные продукты разработаны и изготовлены.

Одна из самых непосредственных применения 3-D печати является быстрое прототипирование изделий. “Это занимает много времени для прототипа с использованием традиционных методов производства”, — объясняет ЗакС. 3-D печать превратила этот процесс, обеспечивая быстрое итерации и тестирования в процесс разработки продукции.

Эта гибкость была игра-чейнджер для дизайнеров. “Теперь вы можете создать десятки проектов в САПР, ввода их в 3-D принтер, и в считанные часы у вас есть все ваши прототипы”, — добавляет Мария Янг, профессор машиностроения и директор лаборатории идей Массачусетского технологического института. “Это дает вам уровень изучения проектов, просто невозможно”.

На протяжении факультет Массачусетского технологического института машиностроения, многие преподаватели находят новые способы включения 3-D печати по широкому спектру научных направлений. Будь то печать металлических деталей для самолетов, полиграфическая объектов на наноуровне, или продвижения лекарств на полиграфический комплекс биоматериала лесов, эти исследователи тестируют пределы 3-D печати технологии способами, которые могут иметь далеко идущие последствия в различных отраслях промышленности.

Повышение скорости, стоимости и точности

Существует несколько технологических препятствий, которые помешали аддитивное производство С оказывает влияние на уровень печатный пресс Гутенберга. А. Джон Харт, адъюнкт-профессор машиностроения и директор лаборатории Массачусетского технологического производства и производительности труда, сосредоточена значительная часть его исследований по решению этих проблем.

“Одним из самых важных барьеров, чтобы сделать 3D-печать доступной для дизайнеров, инженеров и производителей в течение всего жизненного цикла продукта-это скорость, стоимость и качество каждого процесса”, — объясняет Харт.

Его исследования направлена на преодоление этих барьеров и создания для следующего поколения 3-D принтеры, которые могут быть использованы на заводах будущего. Для этого необходимо, чтобы взаимодействие между дизайн машины, обработка материалов и расчет требуется.

Работать для достижения этой синергии, исследовательская группа Харта рассмотрены процессы, участвующие в самый известный стиль 3-D печати: экструзии. В экструзии, пластик плавится и выдавливается через сопла в печатающей головке.

“Мы проанализировали процесс с точки зрения его фундаментальные пределы — как полимер может быть нагрет и стала расплавленной, сколько требуется сил, чтобы протолкнуть материал через сопло, и скорость, с которой печатающая головка перемещается”, — добавляет Харт.

С эти новые выводы, Харт и его команда разработали новый принтер, который управляется на скоростях в 10 раз быстрее, чем существующие принтеры. Шестерни, что бы от одного до двух часов для печати теперь может быть готова через 10 минут. Такое радикальное увеличение скорости-это результат новой печатающей конструкции, что Харт надеется, что в один прекрасный день быть проданы для настольных и промышленных принтеров.

В то время как эта новая технология может улучшить нашу способность печатать быстро пластмасс, полиграфическая металлов требует иного подхода. Для металлов, точного контроля качества является особенно важным для промышленного использования 3-D печати. Металлическая 3D-печать была использована для создания объектов, начиная от топлива самолета, сопла эндопротезы тазобедренного сустава, но он только только начинает становиться мейнстримом. Изделия, изготовленные с использованием металла 3-D печати, особенно чувствительны к трещинам и недостатки из-за больших температурных градиентов, связанных с осуществлением процесса.

Чтобы решить эту проблему, Харт встраивание контроля качества в самих принтеров. “Мы строим инструментарий и алгоритмы, которые контролируют процесс печати и обнаружить, если есть какие-то ошибки — размером всего в несколько микрометров — как объекты печатаются,” Гарт объясняет.

Такой контроль дополняется передовых моделей, включая модели, которые могут предсказывать, как порошок используется в качестве сырья для распределенной печати, а также может определить, как модифицировать процесс печати для учета вариаций.

Группа Харта был инициатором использования новых материалов в 3-D печати. Он разработал методы для печати с целлюлозой, наиболее обильным полимером, а также углеродные нанотрубки, наноматериалы, которые могут быть использованы в гибкой электроники и недорогих радиочастотных меток.

Когда дело доходит до 3D-печати на наноуровне, коллега Николая Xuanlai Харт Фанг, профессор машиностроения, расширяет границы того, насколько малы эти материалы могут быть.

Печать наноматериалов с помощью света

Вдохновленный полупроводниковых и кремниевый чип промышленности, фан разработала технологию 3-D технологии печати, что позволяет печатать на наноуровне. Как аспирант, Клык впервые заинтересовался 3-D печать, пока ищу более эффективный способ сделать микросенсоров и микронасосы, используемые для доставки лекарственных средств.

“Перед 3-D печати, вам требуется дорогостоящее оборудование, чтобы сделать эти микросенсоры”, — объясняет Клык. “Тогда, может, вы пришлете дизайн-макетов для силиконового производителя, тогда вы могли бы ждать от четырех до шести месяцев, прежде чем ваш чип.” Процесс был очень трудоемкий, он взял одну из своих labmates четыре года, чтобы получить восемь небольших пластин.

Как успехи в 3-D печати технологии производственных процессов для крупных продуктов дешевле и эффективнее, Клык начал исследовать, как эти технологии могут быть использованы в гораздо меньших масштабах.

Он повернулся к 3-Д процесс печати, известное как стереолитография. В стереолитографии, свет направляется через линзу и заставляет молекулы твердеют в трехмерные полимеры — этот процесс называется фотополимеризацией.

Размер объектов, которые могут быть напечатаны с использованием стереолитографии были ограничены длиной волны света через оптические линзы или так называемый дифракционный предел — это примерно 400 нанометров. Клык и его команда были первыми исследователями, чтобы обойти это ограничение.

“Мы по сути приняли на точность оптической технологии и применил ее к 3-D печати”, — говорит Фанг. Процесс, известный как проекция микро-стереолитографии, трансформирует луч света в серию волнистые узоры. Волнистые узоры передаются через серебро, чтобы производить тонкие линии, как малые, как 40 нм, что в 10 раз меньше, чем дифракционный предел и в 100 раз меньше, чем ширина прядь волос.

Умение образец характеристики Этот небольшой помощью 3-D печати имеет бесчисленное количество приложений. Одним из вариантов использования технологии клык был исследования является создание небольшой пены, как структура, которая может быть использована как субстрат для каталитического преобразования в автомобильных двигателях. Эта структура может обработать парниковых газов на молекулярном уровне в моменты после запуска двигателя.

“Когда вы впервые начать свой двигатель, это самый проблемный для летучих органических соединений и токсичных газов. Если мы быстро нагреваются эти катализатора, мы могли бы более эффективно лечить эти газы”, — объясняет он.

Фанг также создан новый класс 3-D печатные метаматериалов с помощью проекции микро-стереолитографии. Эти материалы состоят из сложной конструкции и геометрии. В отличие от большинства твердых материалов, метаматериалов не расширять с жарой и не сжиматься от холода.

“Эти метаматериалы могут быть использованы в печатных плат для предотвращения перегрева или линзы камеры, чтобы убедиться, нет усадки, что может привести объектив в дрон или беспилотник потерять концентрацию”, — говорит Фанг.

Совсем недавно, Клык сотрудничает с Линда Гриффит, инженерная школа учит профессор инновационного биологического и машиностроении, применять проекционный микро-стереолитографии в области биоинженерии.

Выращивания человеческих тканей с помощью 3-D печати

Человеческие клетки не запрограммированы, чтобы расти в двумерном Петри. В то время как клетки, взятые из человеческого организма могут размножаться, как только они становятся достаточно толстым, они, по сути, умереть с голоду без постоянного источника крови. Это оказалось особенно трудно в области тканевой инженерии, где врачи и исследователи заинтересованы в выращивании тканей в блюде использовать при пересадке органов.

Для роста клеток в здоровом образе и организовать в ткани в пробирке, они должны быть размещены на структуру или ‘эшафот’. В 1990-х годах Гриффит, специалист в области тканевой инженерии и регенеративной медицины, обратились к зарождающейся технологии для создания этих лесов — 3-D печати.

“Я знал, что повторить комплекс физиология человека в пробирке, мы должны были сделать микроструктур в леса, чтобы нести питательные вещества к клеткам и имитируют механические напряжения в фактический орган”, — объясняет Гриффит.

Она изобрела 3-Д процесс печати, чтобы сделать строительные леса из того же биоразлагаемого материала, используемого в швы. Крошечные сложные сети каналов с архитектурой ветвления были напечатаны в структуре этих лесов. Кровь может путешествовать по каналам, позволяя клеткам расти и со временем начинают формироваться ткани.

За последние два десятилетия этот процесс был использован в различных областях медицины, в том числе регенерации костной ткани и рост хряща в форме человеческого уха. В то время как Гриффит и ее коллаборационисты изначально регенерировать печень, большая часть их исследований посвящена тому, как печень взаимодействует с лекарствами.

“После того, как мы успешно росли ткани печени, следующим шагом стало решение проблемы получения полезной информации предикативные разработки лекарств от нее”, — добавил Гриффит.

Для создания более сложных лесов, которые обеспечивают лучшую предикативной информации, Гриффит сотрудничал с Клыком на его применении нано-3-D печати технологии для тканевой инженерии. Вместе, они создали пользовательскую проекцию микро-стереолитографии машина, которая может печатать с высоким разрешением лесов, известных как системы mesophysiological печени (ЛМС). Микро-стереолитографии печатания позволяет лесов, которые составляют ЛМС иметь широкие каналы как малые до 40 мкм. Эти небольшие каналы позволяют перфузии биоискусственных органов при повышенной скорости потока, которая позволяет кислороду диффундировать по всей плотной клеточной массы.

“На печатание этих микроструктур в мельчайших деталях, мы приближаемся к системе, которая дает нам точной информации о проблемах разработки лекарственных средств, как воспаление печени и токсичности препарата, в дополнение к полезной информации об одном-клеточный рак метастазы”, — говорит Гриффит.

Учитывая ведущую роль печени в переработке и метаболизма лекарств, умение мимикрировать свою функцию в лаборатории есть потенциал произвести революцию в области лекарственных препаратов.

Команда Гриффит также применения их проекции микро-стереолитографии технику, чтобы создавать каркасы для выращивания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека-как ткани головного мозга. “Выращивая эти стволовые клетки в 3-D печатные лесов, мы надеемся, чтобы иметь возможность создать следующее поколение более зрелый мозг органоидов в целях изучения сложных заболеваний, как болезнь Альцгеймера”, — объясняет Пьер Sphabmixay, в машиностроении кандидат в Гриффита лаборатории.

Партнерство с промышленностью

Для 3-D печати, чтобы произвести неизгладимое влияние на то, как продукция разработана и изготовлена, исследователи должны работать в тесном контакте с промышленностью. Чтобы помочь преодолеть этот разрыв, МТИ Центр аддитивных и цифровых передовых производственных технологий (ППТ) был запущен в конце 2018 года.

“Идея заключалась в том, чтобы пересечение аддитивного производства, научных исследований, промышленного развития и образования в различных дисциплинах под эгидой Массачусетского технологического института”, — поясняет Харт, который основал и является директором АПТ. “Мы надеемся, что АПТ поможет ускорить принятие 3-D печати, и позволит нам лучше сосредоточить наши исследования к истинному прорыву за пределы того, что можно себе представить сегодня.”

С АПТ запущен в ноябре 2018 года, MIT и двенадцати членов-учредителей компании — которые включают такие компании, как ArcelorMittal, компания Autodesk, Бош, Formlabs, Дженерал Моторс и Фольксваген Group — встречались как на большой выставке в Германии и на территории кампуса. Совсем недавно они собрались в МТИ семинар на масштабируемой подготовке кадров для аддитивного производства.

“Мы создали совместную связь для apt участникам объединяться и решать общие проблемы, которые в настоящее время ограничивают внедрение 3-D печать — и в более широком смысле, новые концепции в цифровом виде-на производстве — в крупном масштабе”, — добавил Хэйден Квинлан, руководитель программы апта. Многие также считают, Бостон эпицентре 3-D печать инноваций и предпринимательства, во многом благодаря несколько быстрорастущих местных стартапов, основанных МТИ преподавателей и выпускников.

Усилия, как apt, в сочетании с новаторской работы в области аддитивного производства в MIT, может изменить характер взаимосвязей между научными исследованиями, разработка и производство новых продуктов в различных отраслях промышленности.

Дизайнеры могут быстро создавать прототипы и итерации разработки продукции. Более безопасным, более точным металлические петли могут быть распечатаны для использования в самолетах или автомобилях. Метаматериалы могут быть напечатаны в форме электронных чипов, которые не перегреть. Все органы могут быть выращены из клеток донора на 3-D печатные лесов. Хотя эти технологии могут не породить очередной ренессанс, как печатный станок сделал, они предлагают решения для некоторых из самых больших проблем общества 21 века.

Больше записей автора Роботы и киборги

---