Rozwój MIT: szybsza drukarka 3D i antybakteryjna drukowana celuloza 3D

Hart współpracował z doktorantem Adamem Stevensem i absolwentem Jamison Go, który obecnie pracuje jako inżynier mechanik w Desktop Metal, aby studiować kilka komercyjnych drukarek 3D FFF. Zespół doszedł do wniosku, że objętościowe wskaźniki budynków drukarek 3D zostały ograniczone przez trzy czynniki: ile siły mogła przyłożyć głowica drukująca, gdy przepchnęła materiał przez dyszę; jak szybko może przenosić ciepło do materiału, aby doprowadzić do jego stopienia; oraz jak szybko drukarka mogła przesunąć głowicę drukującą

Następnie opracowali drukarkę 3D, która omija wszystkie trzy z tych ograniczeń. Konstrukcja obejmuje filament z gwintowaną powierzchnią, która wchodzi w górną część głowicy drukującej pomiędzy dwoma wałkami, które zapobiegają jej przekręceniu. Następnie wchodzi w środek obracającej się nakrętki, która jest obracana przez pas silnika i ma wewnętrzne gwinty, które zazębiają się z zewnętrznymi nitkami na żarniku. Gdy nakrętka obraca się, popycha włókno do komory kwarcowej otoczonej złotą folią. Laser następnie wchodzi z boku i jest wielokrotnie odbijany przez złotą folię, przechodząc przez żarnik i ogrzewając go.

Żarnik następnie wchodzi do gorącego bloku metalowego, gdzie jest podgrzewany do temperatury powyżej jego topnienia punkt. W miarę opadania nadal się topi i zwęża.

Brzmi to skomplikowanie, ale jest znacznie szybsze niż standardowe drukarki 3D, w których żarnik jest popychany przez dwa małe, obracające się koła. Jeśli spróbujesz przyspieszyć, dodając więcej siły, koła tracą przyczepność, a włókno przestaje się poruszać. To nie jest problem z projektem MIT; dopasowane nici na filtrze i nakrętce zapewniają maksymalny kontakt między nimi, a system może przenosić dużą siłę na filament bez utraty przyczepności.

Typowe drukarki 3D również polegają na przewodzeniu termicznym między ruchomym włóknem a podgrzewany blok. Wyższa prędkość zasilania może nie całkowicie stopić włókna, ale wstępne podgrzanie włókna za pomocą lasera zapewnia całkowite stopienie go przed dotarciem do dyszy. Testy wykazały, że głowica drukująca badaczy może dostarczać co najmniej dwa i pół razy większą siłę na włókno niż standardowe drukarki 3D na biurko, osiągając dwukrotnie większą szybkość wytłaczania.

Ponieważ współczynnik wytłaczania był tak wysoki, Wysoki, naukowcy musieli znaleźć sposób na szybkie przesunięcie głowicy drukującej, aby nadążyć. Zaprojektowali metalową suwnicę wiszącą w kształcie litery H, która ma ciągły pas poruszający się wokół kół pasowych napędzanych przez dwa silniki zamontowane nanieruchoma rama. Głowica drukująca znajduje się na szczycie sceny, która jest połączona z taśmą i jest przenoszona szybko i płynnie przez określone pozycje w obrębie każdej płaszczyzny.

Naukowcy 3D wydrukowali serię obiektów testowych, w tym parę oprawy okularowe, które trwały 3,6 minuty; mały spiralny kielich, który trwał nieco ponad sześć minut; i śrubowe koło zębate stożkowe w nieco ponad 10 minut. Wydrukowane warstwy były bardzo jednolite, a części okazały się mocne i wytrzymałe w testach ich właściwości mechanicznych. Naukowcy również wydrukowali 3D ten sam przedmiot za pomocą swojej drukarki i kilku komercyjnych modeli: trójkątny pryzmat o wysokości 20 mm. Aby uzyskać porównywalną rozdzielczość, drukarka osiągnęła średnią pojemność wolumetryczną do 10 razy wyższą niż inne drukarki.

Drukarka nie była pozbawiona problemów; na przykład wysoki współczynnik kompilacji zaowocował warstwami, które nie pasują dobrze, a także zniekształceniami. Problemy te rozwiązano jednak, kierując kontrolowany przepływ powietrza chłodzącego na nowo wytłoczony materiał. Naukowcy pracują również nad poprawą dokładności drukarki poprzez koordynację szybkości wytłaczania i prędkości głowicy drukującej, a także zaimplementowanie nowych algorytmów sterowania.

Koszt prototypu drukarki 3D MIT wynosi około 15 000 USD, co czyni ją mało prawdopodobną kandydaturą do zastąpienia większość modeli komputerów. Może to jednak być konkurencyjne w przypadku niektórych profesjonalnych drukarek 3D wyższej klasy.

Hart i jego zespół pracują nad opracowaniem nowych materiałów do drukowania 3D, które są przyjazne dla środowiska i łatwe do pozyskania - np. Celuloza. Celuloza ma wiele zalet: jest niedroga, biodegradowalna, odnawialna, wytrzymała i wszechstronna chemicznie. Trudno jednak drukować 3D, ponieważ po podgrzaniu ma tendencję do rozkładu.

Hart i były postdoc Sebastian Pattinson pracował z octanem celulozy, chemicznie obrobioną formą celulozy, która ma mniej wiązań wodorowych, a więc czyni go mniejszym. skłonny do rozkładu. Najpierw octan celulozy rozpuszczono w rozpuszczalniku acetonowym, aby wytworzyć lepki materiał, który przepływał łatwo przez dyszę drukarki w temperaturze pokojowej. Gdy mieszanina rozprzestrzenia się na zgrubieniu drukarskim, rozpuszczalnik acetonowy szybko odparowuje, pozostawiając octan celulozy z tyłu. Zanurzenie zadrukowanego obiektu w wodorotlenku sodu usuwa octan i przywraca pełną sieć wiązań wodorowych, które zapewniają wytrzymałość celulozy.

Naukowcom udało się wydrukować złożone obiekty o dobrych właściwościach mechanicznychz materiału. Okazało się, że ich wytrzymałość i sztywność przewyższają przedmioty drukowane ze zwykłych materiałów do drukowania 3D. Naukowcy zaczęli dalej eksperymentować.

"Można modyfikować celulozę na różne sposoby, na przykład w celu zwiększenia jej właściwości mechanicznych lub dodania koloru" - powiedział Hart.

Naukowcy zmienili octan celulozy przez dodanie właściwości przeciwdrobnoustrojowych. Oni wydrukowali serię dysków, niektóre z czystego octanu celulozy, a niektóre z dodatkiem barwnika przeciwdrobnoustrojowego i osadzili na każdym z nich roztwór zawierający bakterie E. coli. Zostawili trochę dysków w ciemności i wystawili innych na światło z fluorescencyjnej żarówki. Po 20 godzinach analiza wykazała, że ​​dyski wykonane z barwnikiem i wystawione na działanie światła mają o 95 procent mniej bakterii niż pozostałe. Następnie wydrukowano pincety chirurgiczne 3D jako przykład narzędzia, które może być wykonane z cennymi właściwościami przeciwdrobnoustrojowymi.

Hart uważa, że ​​istnieje komercyjny potencjał dla ich procesu druku 3D z celulozy. Celuloza jest tania i jest powszechnie dostępna i może być drukowana w temperaturze pokojowej, eliminując potrzebę kosztownego źródła ciepła. Tak długo jak aceton jest wychwytywany i przetwarzany, jest to również proces przyjazny dla środowiska.

Przedyskutuj ten i inne tematy związane z drukowaniem 3D na stronie 3DPrintBoard.com lub podziel się poniższymi przemyśleniami.