Een nieuwe, op licht gebaseerde 3D-printer kan ruimteschepen gereedschappen creëren in zero gravity

Een nieuwe 3D-druktechniek belooft voorwerpen te maken met behulp van lichtbundels, die allerlei professionals helpen - van zoölogen tot mensen aan boord van ruimteschepen die gereedschap in zwaartekracht moeten maken.

De techniek, beschreven in een krant gepubliceerd donderdag in het tijdschrift Wetenschap, gaat lichtstralen schijnen op een gele, lichtgevoelige vloeistof om vaste objecten te creëren. Hier is hoe deze nieuwe techniek werkt: wetenschappers maken een 3D-model van het gewenste object, maken een film en gebruiken een projector om de informatie in een draaiende cilinder te bundelen. De aard van de vloeistof betekent dat gebruikers andere objecten in hars kunnen omsluiten; het maken van een schroevendraaierhendel rond een stuk metaal is zo'n voorbeeld.

Hayden Taylor, assistent-professor in de machinebouw aan de Universiteit van Californië en senior auteur van een krant, vertelt omgekeerde dat deze nieuwe 3D-printtechniek bestaande hardware gebruikt, maar een verfijnder gebruik van zijn software maakt.

"Het apparaat dat nodig is voor het nieuwe proces is inherent eenvoudig: het vereist een videoprojector - wat een standaard off-the-shelf projector zou kunnen zijn - en een gestaag roterend volume van het lichtgevoelige materiaal," zegt Taylor. Het lastige deel, legt hij uit, is de berekening die wordt gebruikt om het 3D-model in een video te vertalen - maar zelfs dat 'kan zo nodig met een pc worden uitgevoerd'.

De printer is ontworpen door te kijken naar computertomografiescans, die door artsen worden gebruikt om tumoren te vinden door elektromagnetische golven in het lichaam te sturen. Het team moest berekenen hoeveel licht er moest worden verzonden en wanneer de cilinder vol hars roteerde. Wanneer het licht de hars raakt, nemen fotogevoelige moleculen de opgeloste zuurstof af om een ​​solide structuur te creëren. Het overgebleven materiaal is herbruikbaar voor andere projecten en de methode creëert praktisch geen afval.

Het komt op een moment dat 3D-printen iets van een renaissance ervaart, na de massale hype rond het gebied in 2013. Alleen al de afgelopen twee maanden ontdekten onderzoekers van Columbia University een manier om 3D hout te drukken, een ander team liet zien hoe gebruikers kunnen creëer een hele bruiloftscène en onderzoekers van de University of Michigan hebben een methode ontwikkeld waarmee objecten 100 keer sneller dan voorheen kunnen worden afgedrukt.

Typische 3D-printers werken meestal net als hun op papier gebaseerde tegenhangers, waarbij ze ABS- of polymelkzuur op elkaar stapelen om geleidelijk objecten te vormen. Deze techniek, bekend als gefuseerde depositie-modellering, heeft de neiging om objecten te produceren met hoge snelheid maar met lage nauwkeurigheid.

"We printen niet per laag, zoals traditioneel," zegt Taylor. "Bij sommige andere processen loopt het gebruik van lagen het risico interne leemtes of defecten te introduceren en resulteert dit in een minder dan glad oppervlak, die beide de sterkte kunnen verminderen of kracht in hoge mate kunnen sturen."

Een alternatieve techniek, bekend als stereolithografie, gebruikt door het team van de universiteit van Michigan, gebruikt een ultraviolette laser om een ​​object in hars te maken. Het klinkt vergelijkbaar met de techniek die door het team van Taylor wordt gebruikt - nagesynchroniseerd berekende axiale lithografie - maar er zijn enkele interessante verschillen tussen technieken in dit nieuwe tijdperk van 3D-printen.

"We trekken het onderdeel niet in een rechte lijn, maar draaien in plaats daarvan het afdrukvolume ten opzichte van de lichtbron", zegt Taylor. "Dit betekent dat we alle punten van een 3D-object echt gelijktijdig in plaats van opeenvolgend kunnen maken.

"Ook is er tijdens ons proces geen beweging van het afgedrukte object ten opzichte van het omringende materiaal tijdens het afdrukken. Dit is een ongekend aspect van onze aanpak waarmee we kunnen printen in uitzonderlijk hoge viscositeitsmaterialen en de beperkingen van de afdruksnelheid elimineren die kunnen worden opgelegd aan andere processen door vloeistofstroming."

Hoe deze nieuwe techniek zou kunnen worden gebruikt aan boord van ruimteschepen

De techniek kan zelfs gunstig zijn voor astronauten in de ruimte. Taylor zegt dat het "zeker denkbaar is dat delen gemaakt door berekende axiale lithografie kunnen worden gebruikt in de ruimte", eraan toevoegend dat "ik zou speculeren dat gewichtloosheid eigenlijk een extra voordeel zou kunnen zijn voor het proces."

Het belangrijkste probleem met het gebruik van CAL op aarde is dat het object tijdens het renderen in de hars kan wegzakken. Het team heeft de hars zo ontworpen dat het object niet tijdens het drukproces zakt door een meetbare afstand, maar werken met verminderde zwaartekracht zou die wijziging nog kleiner kunnen maken.

Als Elon Musk en dergelijke hun droom bereiken om mensen naar Mars te sturen en een kolonie te beginnen, sturen ze misschien hun ontdekkingsreizigers naar de rode planeet met een projector en een gigantisch vat hars, klaar om hun eigen gereedschap te maken. Ze zouden tenminste iets hebben om films te kijken.

Lees het abstract van de paper, getiteld "Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction," hieronder:

Additive manufacturing belooft een enorme geometrische vrijheid en het potentieel om materialen te combineren voor complexe functies. De beperkingen voor snelheid, geometrie en oppervlaktekwaliteit van additieve processen zijn gekoppeld aan de afhankelijkheid van materiaallagen. We demonstreerden gelijktijdig afdrukken van alle punten binnen een driedimensionaal object door een roterend volume lichtgevoelig materiaal te belichten met een dynamisch veranderend lichtpatroon. We drukken functies van slechts 0,3 mm in technische acrylaatpolymeren, en drukken zachte structuren af ​​met uitzonderlijk gladde oppervlakken tot een gelatine-methacrylaat-hydrogel. Ons proces stelt ons in staat om componenten te construeren die andere reeds bestaande vaste objecten omhullen, waardoor fabricage van meerdere materialen mogelijk is. We hebben modellen ontwikkeld om snelheids- en spatiële resolutie te beschrijven. We hebben ook afdruktijden van 30-120 s aangetoond voor objecten op diverse centimeterschaal.