Nieuwe 3D-printer print in enkele minuten een volledig object

Een nieuwe techniek voor additieve productie kan 3D-printen nog aantrekkelijker maken voor toepassingen in onder meer de maakindustrie. De techniek maakt gebruikt van licht om een vloeistof in korte tijd om te zetten in een vaste materie. Dit maakt het mogelijk in slechts enkele minuten een volledig object te printen, iets wat met veel andere printers al snel uren in beslag neemt.

De printer is ontwikkeld door de University of California Berkeley (UC Berkeley). De 3D-printer wordt de ‘replicator’ genoemd, wat een verwijzing is naar een apparaat uit Star Trek waarmee objecten kunnen worden gecreëerd.

‘FDM kent veel nadelen’

Met de replicator willen de onderzoekers beperkingen van bestaande 3D-printers aanpakken. Veel bestaande 3D-printers – inclusief varianten die al gebruik maken van licht – maken gebruik van fused deposition modeling (FDM), een techniek waarbij telkens een nieuwe laag wordt geprint om een object laag voor laag op te bouwen. Deze aanpak biedt volgens de onderzoekers verschillende beperkingen en nadelen:

Met FDM is het relatief moeilijk om flexibele objecten te printen aangezien flexibele materialen tijdens het printproces vervormen.
Om bepaalde vormen zoals bogen te printen zijn ondersteunende constructies nodig, die na het printproces verwijderd moeten worden.
Doordat objecten laag voor laag worden geprint, ontstaat een ’trapeffect’ aan de zijkanten van een object.

Viscose vloeistof

De replicator biedt een antwoord op deze beperkingen en nadelen. De printer maakt gebruik van een viscose vloeistof. Indien deze vloeistof – die ook als een hars wordt omschreven – aan een bepaalde hoeveelheid licht wordt blootgesteld, ontstaat een reactie waardoor het materiaal uithard. Door nauwkeurig patronen van licht te projecten op een roterende cilinder van de viscose vloeistof, kan deze vloeistof in één keer worden uitgehard in een gewenste vorm. Deze patronen van licht vergelijken de onderzoekers met films. 

Voor het printproces zijn eenvoudig beschikbare componenten nodig. “In feite neem je een standaard videoprojector, die ik letterlijk van huis heb meegenomen, en plugt deze in een laptop om een reeks gecomputeriseerde afbeeldingen te projecteren, terwijl een motor een cilinder draait waarin 3D-printhars aanwezig is”, legt Hayden Taylor, als universiteit docent werktuigbouwkunde bij UC Berkeley, uit. “Uiteraard zijn er hierbij allerlei subtiliteiten, zoals de wijze waarop je de hars opbouwt en vooral hoe je de afbeeldingen die geprojecteerd worden genereert. De barrière voor het creëren van een zeer eenvoudige versie van deze tool is echter niet groot.”

Materiaal rond een bestaand object printen

De onderzoekers stellen dat de replicator objecten kan printer die gladder, flexibeler en complexer zijn dan met traditionele 3D-printtechnieken mogelijk is. Zo maakt de replicator het onder meer mogelijk een nieuwe laag materiaal te printen rond een bestaand object. Als voorbeeld noemen de onderzoekers de hendel van een schroevendraaier, die om het metalen deel heen wordt geprint. 

De techniek achter de replicator kan een grote impact hebben op de inzet van 3D-printers, verwachten de onderzoekers. “Ik denk dat dit een route is naar het in staat zijn om op grote schaal objecten op maat te maken, ongeacht of dit nu protheses of hardloopschoenen zin”, aldus Taylor. “Het feit dat je een metalen component of iets uit een ander productieproces kunt nemen en hier een op maat gemaakte geometrie aan kunt toevoegen, kan de wijze waarop producten worden ontworpen geheel veranderen.”

Het team heeft inmiddels een reeks objecten geprint met de replicator. Deze objecten variëren van een klein beeldje tot een op maat gemaakt model van een kaak. Met behulp van de 3D-printer kunnen op dit moment objecten met een diameter van maximaal zo’n 10 centimeter worden geprint. 

Geïnspireerd op CT-scanners

De techniek achter de replicator is geïnspireerd op CT-scanners uit de zorg, waarmee artsen in staat zijn in het menselijk lichaam te kijken. Een CT-scanner stuurt röntgenstralen of andere elektromagnetische stralen onder verschillende hoeken het menselijk lichaam in. Door de patronen die hierdoor ontstaan te analyseren is het mogelijk organen en weefsels in beeld te brengen. “In feite draaien we dit principe om”, aldus Taylor. “We proberen een object te creëren in plaats van een object te meten. Veel van de onderliggende theorie die hiervoor nodig is kan echter worden vertaald uit de theorie achter computertomografie (CT).”

De hars die gebruikt wordt bestaat uit vloeibare polymeren vermengd met lichtgevoelige moleculen en opgeloste zuurstof. Door deze hars bloot te stellen aan licht, worden deze lichtmoleculen geactiveerd. Hierdoor ontstaat een proces waardoor de zuurstof in de hars oplost. Alleen op plekken waar de zuurstof volledig is opgelost vormen de polymeren de verbindingen die de vloeibare hars omzetten in een vaste materie. Hars die hierbij niet wordt gebruikt kan voor 100% worden hergebruikt. Bij het printen van objecten gaat hierdoor volgens de onderzoekers nauwelijks materiaal verloren. 

Object hoeft niet transparant te zijn

De onderzoekers benadrukken dat hoewel het licht in de hars moet kunnen doordringen om deze te kunnen uitharden, het uiteindelijke object niet transparant hoeft te zijn. Dit is mogelijk dankzij de inzet van een speciale verf die lichtgolven die nodig zijn om de hars te laten uitharden doorlaat, maar andere lichtgolven absorbeert. 

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: UC Berkeley
Foto door: Hayden Taylor van UC Berkeley