En ny, lysbasert 3D-skriver kan opprette romfartskapsverktøy i null tyngdekraft

En ny 3D-utskriftsteknikk lover å lage objekter med lysstråler, som hjelper alle fagfolk - fra zoologer til folk ombord på romskip som trenger å lage verktøy i null tyngdekraften.

Teknikken, beskrevet i et papir publisert torsdag i tidsskriftet Vitenskap, innebærer skinnende lysstråler på en gul lysfølsom væske for å skape faste gjenstander. Slik fungerer denne nye teknikken: Forskere lager en 3D-modell av objektet de ønsker, lager en film, og bruk en projektor for å stråle informasjonen inn i en roterende sylinder. Væskens natur betyr at brukere kan inkludere andre gjenstander i harpiks; Å lage en skrutrekkerhåndtak rundt et metallstykke er et slikt eksempel.

Hayden Taylor, assisterende professor i maskinteknikk ved University of California og senior forfatter av et papir, forteller Omvendt at denne nye 3D-utskriftsteknikken bruker eksisterende maskinvare, men gjør en mer sofistikert bruk av programvaren.

"Apparatet som kreves for den nye prosessen er iboende enkelt: det krever en videoprojektor - som kan være en standard off-shelf-projektor - og et stadig roterende volum av det lysfølsomme materialet," sier Taylor. Den vanskelige delen, forklarer han, er beregningene som brukes til å oversette 3D-modellen til en video - men selv at "kan utføres med en personlig datamaskin om nødvendig."

Skriveren ble designet ved å se på databehandlinger som brukes av leger for å finne svulster ved å sende elektromagnetiske bølger inn i kroppen. Laget trengte å beregne hvor mye lys å sende og når som sylinder full harpiks roterte. Når lyset treffer harpiksen, tømmer fotokrevende molekyler oppløst oksygen for å skape en solid struktur. Restmaterialet er gjenbrukbart for andre prosjekter, og metoden skaper praktisk talt ingen avfall.

Det kommer på en tid da 3D-utskrift opplever noe av en renessanse, og følger massiv hype rundt området i 2013. De siste to månedene alene har forskere ved Columbia University oppdaget en måte å 3D-utskrift på, et annet lag demonstrerte hvordan brukerne kan skape en hel bryllupsscene, og forskere ved University of Michigan har laget en metode som kan skrive ut objekter 100 ganger raskere enn før.

Typiske 3D-skrivere har en tendens til å fungere som deres papirbaserte motstykker, legger opp enten ABS-plast eller polymælkesyre for å gradvis danne gjenstander. Denne teknikken, kjent som kondensert deponeringsmodellering, har en tendens til å produsere gjenstander med høy hastighet, men lav nøyaktighet.

"Vi skriver ikke ut lag for lag, som det er tradisjonelt," sier Taylor. "I noen andre prosesser risikerer bruken av lag å introdusere indre hull eller mangler, og resulterer i en mindre enn glatt overflate, som begge kan redusere styrke eller styrke styrke."

En alternativ teknikk, kjent som stereolitografi, som brukes av teamet ved University of Michigan, bruker en ultrafiolett laser for å skape et objekt i harpiks. Det høres ut som teknikken som brukes av Taylors lag - kalt Beregnet aksiell litografi - men det er noen interessante forskjeller mellom teknikker i denne nye tiden med 3D-utskrift.

"Vi trekker ikke komponenten i en rett linje, men i stedet roterer trykkvolumet i forhold til lyskilden," sier Taylor. "Dette betyr at vi virkelig kan skape alle punkter i et 3D-objekt samtidig i stedet for sekvensielt.

"I vår prosess er det heller ingen bevegelse av den trykte gjenstanden i forhold til det omgivende materialet under utskrift. Dette er et enestående aspekt av vår tilnærming som gjør at vi kan skrive ut til svært høye viskositetsmaterialer og eliminerer utskriftshastighetsbegrensningene som kan pålegges andre prosesser ved væskestrøm."

Hvordan denne nye teknikken kan brukes ombord på romskip

Teknikken kan til og med vise seg å være gunstig for astronautene i rommet. Taylor sier at det er "sikkert tenkelig at deler som er laget av beregnet aksial litografi, kan brukes i rommet, og legger til at" jeg vil spekulere på at vektløsheten faktisk kunne være en ekstra fordel for prosessen."

Hovedproblemet med å bruke CAL på jorden er at objektet kan synke i harpiksen som det blir gjort. Teamet har designet harpiksen slik at gjenstanden ikke synker under utskriftsprosessen med en målbar avstand, men å arbeide med redusert tyngdekraft kan gjøre endringen enda mindre.

Hvis Elon Musk og lignende oppnår drømmen om å sende mennesker til Mars og starte en koloni, vil de kanskje sende sine oppdagelsesreisende ut til den røde planeten med en projektor og et kjempefat av harpiks, klar til å lage sine egne verktøy. I hvert fall vil de ha noe å bruke for å se på filmer.

Les abstraktet av papiret, med tittelen "Volumetrisk additivproduksjon via tomografisk rekonstruksjon", under:

Additive produksjon lover enorm geometrisk frihet og potensialet til å kombinere materialer for komplekse funksjoner. Hastigheten, geometrien og overflatekvalitetsbegrensninger av additivprosesser er knyttet til avhengigheten av materiallagring. Vi demonstrerte samtidig utskrift av alle punkter i et tredimensjonalt objekt ved å belyse et roterende volum lysfølsomt materiale med et dynamisk utviklende lysmønster. Vi skriver ut så lite som 0,3 mm i tekniske akrylatpolymerer, samt skriver ut myke strukturer med svært jevne overflater i en gelatinmetakrylathydrogel. Vår prosess gjør det mulig for oss å konstruere komponenter som omfatter andre eksisterende faste gjenstander, noe som gjør det mulig å produsere flere materialer. Vi utviklet modeller for å beskrive hastighet og romlig oppløsning. Vi viste også utskriftstider på 30-120 s for forskjellige centimeter-skala objekter.