Ein neuer, lichtbasierter 3D-Drucker könnte Raumschiff-Werkzeuge in der Schwerelosigkeit erstellen

Eine neue 3D-Drucktechnik verspricht die Herstellung von Objekten mit Lichtstrahlen und unterstützt alle Arten von Profis - von Zoologen bis zu Menschen an Bord von Raumschiffen, die Werkzeuge in der Schwerelosigkeit herstellen müssen.

Die Technik wurde in einem am Donnerstag in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel beschrieben Wissenschaft beinhaltet das Strahlen von Lichtstrahlen auf eine gelbe, lichtempfindliche Flüssigkeit, um feste Objekte zu erzeugen. So funktioniert diese neue Technik: Wissenschaftler erstellen ein 3D-Modell des gewünschten Objekts, erstellen einen Film und strahlen die Informationen mithilfe eines Projektors in einen rotierenden Zylinder. Die Art der Flüssigkeit bedeutet, dass Benutzer andere Objekte in Harz einhüllen können. Ein solches Beispiel ist das Erstellen eines Schraubendrehergriffs um ein Stück Metall.

Hayden Taylor, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of California und leitender Autor einer Arbeit, erzählt Inverse Diese neue 3D-Drucktechnik verwendet vorhandene Hardware, nutzt jedoch die Software ausgereifter.

„Das für das neue Verfahren erforderliche Gerät ist von Natur aus einfach: Es erfordert einen Videoprojektor, der ein Standardprojektor sein kann, und ein stetig rotierendes Volumen des lichtempfindlichen Materials“, sagt Taylor. Der knifflige Teil, so erklärt er, sind die Berechnungen, mit denen das 3D-Modell in ein Video umgesetzt wird - aber auch das "kann bei Bedarf mit einem PC durchgeführt werden".

Der Drucker wurde durch Betrachtung von Computertomographen entwickelt, mit denen Ärzte Tumore finden, indem sie elektromagnetische Wellen in den Körper senden. Das Team musste berechnen, wie viel Licht gesendet werden muss und wann der Zylinder mit vollem Harz gedreht wurde. Wenn das Licht auf das Harz fällt, verbrauchen lichtempfindliche Moleküle den gelösten Sauerstoff, um eine feste Struktur zu erzeugen. Das übriggebliebene Material kann für andere Projekte wiederverwendet werden, und die Methode erzeugt praktisch keinen Abfall.

Es kommt zu einer Zeit, in der der 3D-Druck nach dem Massenrummel in der Region im Jahr 2013 eine Renaissance erlebt. Allein in den vergangenen zwei Monaten haben Forscher der Columbia University einen Weg zum 3D-Drucken von Holz entdeckt. Ein anderes Team zeigte, wie Benutzer dies tun können Erstellen Sie eine ganze Hochzeitsszene, und Forscher der University of Michigan haben eine Methode entwickelt, mit der Objekte 100-mal schneller gedruckt werden können als zuvor.

Typische 3D-Drucker arbeiten normalerweise wie ihre Gegenstücke auf Papierbasis und schichten entweder aus ABS-Kunststoff oder aus Polymilchsäure, um allmählich Objekte zu formen. Diese Technik, bekannt als Fused Deposition Modeling, erzeugt Objekte mit hoher Geschwindigkeit und geringer Genauigkeit.

"Wir drucken nicht Schicht für Schicht, wie es traditionell ist", sagt Taylor. "Bei einigen anderen Prozessen besteht die Gefahr, dass durch die Verwendung von Schichten innere Hohlräume oder Defekte entstehen, und dies führt zu einer weniger glatten Oberfläche, die beide die Festigkeit verringern oder die Festigkeit in eine starke Richtung bringen können."

Eine alternative Technik, die als Stereolithographie bezeichnet wird und vom Team der University of Michigan verwendet wird, verwendet einen Ultraviolettlaser, um ein Objekt aus Harz zu erzeugen. Es klingt ähnlich wie die von Taylors Team eingespielte Technik - synchronisiert berechnete axiale Lithographie - In dieser neuen Ära des 3D-Drucks gibt es jedoch einige interessante Unterschiede zwischen den Techniken.

„Wir zeichnen die Komponente nicht in einer geraden Linie, sondern drehen stattdessen das Druckvolumen relativ zur Lichtquelle“, sagt Taylor. „Das bedeutet, dass wir wirklich alle Punkte eines 3D-Objekts gleichzeitig und nicht nacheinander erstellen können.

„In unserem Prozess gibt es auch keine Bewegung des gedruckten Objekts relativ zum umgebenden Material während des Druckens. Dies ist ein beispielloser Aspekt unseres Ansatzes, der es uns ermöglicht, in Materialien mit außergewöhnlich hoher Viskosität zu drucken und die Druckgeschwindigkeitsbeschränkungen zu beseitigen, die anderen Prozessen durch den Fluidfluss auferlegt werden können. “

Wie diese neue Technik in Raumschiffen eingesetzt werden könnte

Die Technik könnte sich sogar für Astronauten im Weltall als vorteilhaft erweisen. Taylor meint, es sei "durchaus denkbar, dass Teile, die durch computergestützte axiale Lithographie hergestellt wurden, im Weltraum verwendet werden könnten", und fügte hinzu: "Ich würde spekulieren, dass Schwerelosigkeit tatsächlich ein zusätzlicher Vorteil für den Prozess sein könnte."

Das Hauptproblem bei der Verwendung von CAL auf der Erde ist, dass das Objekt beim Rendern im Harz versinken kann. Das Team hat das Harz so entworfen, dass das Objekt während des Druckvorgangs nicht um eine messbare Entfernung absinkt. Wenn Sie jedoch mit reduzierter Schwerkraft arbeiten, könnte diese Änderung noch geringer ausfallen.

Wenn Elon Musk und andere ihren Traum verwirklichen, Menschen zum Mars zu schicken und eine Kolonie zu gründen, werden sie vielleicht ihre Entdecker mit einem Projektor und einem riesigen Harztank auf den roten Planeten schicken, um ihre eigenen Werkzeuge herzustellen. Zumindest hätten sie etwas, um Filme anzusehen.

Lesen Sie die Zusammenfassung des Papiers mit dem Titel "Volumetrische additive Fertigung durch tomographische Rekonstruktion".

Die additive Fertigung verspricht eine enorme geometrische Freiheit und die Möglichkeit, Materialien für komplexe Funktionen zu kombinieren. Die Einschränkungen der Geschwindigkeit, Geometrie und Oberflächenqualität additiver Prozesse hängen mit der Abhängigkeit von der Materialschichtung zusammen. Wir haben den gleichzeitigen Druck aller Punkte innerhalb eines dreidimensionalen Objekts demonstriert, indem ein rotierendes Volumen aus lichtempfindlichem Material mit einem sich dynamisch entwickelnden Lichtmuster beleuchtet wird. Wir bedrucken bis zu 0,3 mm große technische Acrylatpolymere und drucken weiche Strukturen mit außergewöhnlich glatten Oberflächen in ein Gelatine-Methacrylat-Hydrogel. Unser Prozess ermöglicht es uns, Komponenten zu konstruieren, die andere bereits vorhandene feste Objekte umschließen, wodurch eine Fertigung von mehreren Materialien ermöglicht wird. Wir entwickelten Modelle zur Beschreibung der Geschwindigkeit und der räumlichen Auflösung. Wir haben auch Druckzeiten von 30-120 Sekunden für verschiedene Objekte im Zentimeterbereich demonstriert.