Een nieuwe 3D-printmethode maakt het mogelijk soepele en harde materialen in één print te combineren. De methode maakt hiervoor gebruik van verschillende kleuren licht, waardoor het materiaal op een andere manier uithardt.
De 3D-printmethode is ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin. De methode is geïnspireerd door de manier waarop de natuur hardheid en flexibiliteit combineert, onder meer in de structuur van botten en kraakbeen. De onderzoekers verwachten dat hun ontwikkeling onder meer geavanceerde protheses, flexibele medische apparaten en rekbare elektronica mogelijk kan maken. Deze producten moeten dankzij de printmethode kunnen meebewegen met het menselijk lichaam, op een wijze die vergelijkbaar is met een menselijk gewricht of ligament.
Zak Page, assistent-professor in de chemie aan de Universiteit van Texas in Austin en hoofdauteur van het artikel: “Wat mij en mijn onderzoeksgroep echt heeft gemotiveerd, is het kijken naar materialen in de natuur. De natuur doet dit op een organische manier, door harde en zachte materialen probleemloos te combineren op het grensvlak. Dat wilden we repliceren.”
Problemen op het grensvlak
Een van de grootste uitdagingen bij het creëren van objecten met zeer verschillende fysieke eigenschappen is dat materialen de neiging hebben te falen op het grensvlak: de locatie waarop de twee materialen met elkaar in contact komen. De onderzoekers wijzen als voorbeeld op schoenen, waarbij de rubberen zool van na verloop van tijd los kan komen van de rest van materiaal van de schoen.
Door beide materialen ondanks hun verschillende fysieke eigenschappen uit hetzelfde materiaal te printen gaan de onderzoekers dit tegen. Om dit mogelijk te maken maken de onderzoekers gebruik van een op maat gemaakte vloeibare hars. Het materiaal hardt tijdens het printproces dankzij verschillende chemische reacties op een andere manier uit. Deze verschillende reacties activeren de onderzoekers door de kleur van het licht waarmee zij het materiaal uitharden aan te passen. Met behulp van violet licht hardt de hars uit tot een rekbaar, rubberachtig materiaal. Het gebruik van ultraviolet licht met een hogere energie zorgt dat het materiaal rigide en sterk wordt.
Sterkere verbinding creëren
Onderzoeker Keldy Mason: “We hebben een molecuul gebouwd met beide reactieve groepen, zodat onze twee verhardingsreacties met elkaar konden ‘communiceren’ op het grensvlak. Dat geeft ons een veel sterkere verbinding tussen de zachte en harde delen, en er kan een geleidelijke overgang zijn als we dat willen.”
“Deze benadering kan additieve fabricage competitiever maken voor productie met een hoger volume in vergelijking met traditionele processen zoals spuitgieten. Net zo belangrijk is dat het nieuwe ontwerpmogelijkheden opent. Dit geeft ingenieurs, ontwerpers en makers meer vrijheid om te creëren”, aldus Page.
‘Verbaasd hoe goed het de eerste keer werkte’
De assistent-professor voegt toe: “Eerlijk gezegd verbaasde het me het meest hoe goed het de eerste keer werkte. Dat gebeurt bijna nooit met 3D-print harsen. We waren ook verbaasd over hoe verschillend de eigenschappen waren. De zachte delen rekten uit als een elastiekje en veerden terug. De harde delen waren net zo sterk als kunststoffen die in consumentenproducten worden gebruikt.”
De onderzoekers zien brede toepassingen voor hun ontwikkeling. Zij melden dat het printproces sneller en met een betere resolutie dan eerdere benaderingen. De printeropstelling is daarnaast relatief eenvoudig en betaalbaar, wat de technologie toegankelijk kan maken voor onderzoekers, ziekenhuizen en onderwijsinstellingen. Page: “Het zou kunnen worden gebruikt om chirurgische modellen, draagbare sensoren of zelfs zachte robots te prototypen. Er is zoveel potentieel hier.”
De onderzoekers delen meer informatie over hun ontwikkeling in een artikel dat zij hebben gepubliceerd in Nature Materials. Daarnaast delen de onderzoekers een paper in ACS Central Science.
