Новый метод, разработанный исследователями MIT, использует стандартные 3-D принтеры для производства функциональных устройств с уже встроенной электроникой. Устройства изготовлены из волокон, содержащих несколько взаимосвязанных материалов, которые могут загораться, ощущать окружающую среду, накапливать энергию или выполнять другие действия.
Новый метод трехмерной печати описан в журнале Nature Communications, в статье докторанта MIT Габриэля Локе, профессоров Джона Джоаннопулоса и Йоэля Финка и четырех других в MIT и других местах.
В системе используются обычные 3-D принтеры, оснащенные специальной насадкой и нитью нового типа для замены обычной полимерной нити из одного материала, которая обычно полностью расплавляется до того, как она выталкивается из сопла принтера. Новая нить исследователей имеет сложную внутреннюю структуру, составленную из различных материалов, расположенных в точной конфигурации, и окружена внешней оболочкой из полимера.
В новом принтере сопло работает при более низкой температуре и вытягивает нить через более быстрые обычные принтеры, так что только его наружный слой становится частично расплавленным. Интерьер остается прохладным и прочным, а встроенные электронные функции остаются неизменными. Таким образом, поверхность расплавляется настолько, чтобы она плотно прилегала к смежным нитям во время процесса печати , чтобы создать прочную трехмерную структуру.
Внутренние компоненты в нити накала включают в себя металлические провода, которые служат проводниками, полупроводники, которые можно использовать для управления активными функциями, и полимерные изоляторы для предотвращения контакта проводов друг с другом. В качестве демонстрации команда напечатала крыло для модельного самолета, используя нити, которые содержали как светоизлучающую, так и детектирующую электронику. Эти компоненты могут потенциально выявить образование любых микроскопических трещин, которые могут развиваться.
Хотя нити, использованные в крыле модели, содержали восемь различных материалов, Лок говорит, что в принципе они могут содержать еще больше. До этой работы, говорит он, «принтера, способного размещать металлы, полупроводники и полимеры на одной платформе, еще не существовало, потому что печать каждого из этих материалов требует различного оборудования и технологий».
По словам Лока, этот метод в три раза быстрее, чем любой другой современный подход к изготовлению трехмерных устройств, и, как и все трехмерные принтеры, предлагает гораздо большую гибкость в отношении типов форм, которые могут быть изготовлены, чем обычные методы изготовления. , «Этот подход, уникальный для трехмерной печати, позволяет создавать устройства любых форм произвольной формы, которые пока недоступны никаким другим методам», — говорит он.
В этом методе используются термически вытянутые волокна, которые содержат множество различных материалов, встроенных в них, и этот процесс Финк и его сотрудники совершенствовали в течение двух десятилетий. Они создали множество волокон, в которых есть электронные компоненты, благодаря чему волокна могут выполнять различные функции. Например, для приложений связи мигающие огни могут передавать данные, которые затем улавливаются другими волокнами, содержащими датчики света. При таком подходе впервые были получены волокна и тканые ткани, в которые встроены эти функции.
Теперь этот новый процесс делает все это семейство волокон доступным в качестве сырья для производства функциональных трехмерных устройств, которые могут воспринимать, передавать или накапливать энергию, помимо других действий.
Для изготовления самих волокон различные материалы первоначально собираются в более крупную версию, называемую преформой, которая затем нагревается и вытягивается в печи для получения очень узкого волокна, содержащего все эти материалы, в их одинаковых точных относительных положениях, но значительно уменьшен в размерах.
Потенциально этот метод может быть дополнительно разработан для производства различных видов устройств, особенно для приложений, где необходима возможность точной настройки каждого устройства . По словам Финка, профессора материаловедения, электротехники и информатики, а также генерального директора некоммерческой организации Advanced Functional Fabrics, одна из таких областей относится к биомедицинским устройствам, где может быть важно согласовать устройство с собственным телом пациента. Америка.
Например, протезы конечностей могут когда-нибудь быть напечатаны с использованием этого метода, не только совпадая с точными размерами и контурами конечности пациента, но со всей электроникой для контроля и управления конечностью, встроенной на месте.
За эти годы группа разработала широкий спектр волокон, содержащих различные материалы и функциональные возможности. Лок говорит, что практически все из них могут быть адаптированы для новой технологии 3-D печати, позволяющей печатать объекты с различными комбинациями материалов и функций. Устройство использует стандартный тип 3-D принтера , известном как моделирование методом наплавления (FDM) принтер , который уже найден во многих лабораториях, офисах и даже дома.
Одно из возможных применений в будущем будет заключаться в печати материалов для биомедицинских имплантатов, которые обеспечат основу для роста новых клеток для замены поврежденного органа, и включат в него датчики для мониторинга прогресса этого роста.
Новый метод также может быть полезен для создания прототипов устройств — уже основного приложения для трехмерной печати, но в этом случае прототипы будут иметь реальную функциональность, а не статические модели.
