I ricercatori di Harvard sviluppano una ostri in un batter d’occhio
Possibili applicazioni in robotica leggera, bioprinting di organi e altro
Una nuova tecnica chiamata MM3D (multimateriale multi-ugello 3D) sviluppata dai ricercatori del Wyss Institute di Harvard utilizza valvole di pressione ad alta velocità per ottenere una commutazione rapida, continua e senza soluzione di continuità tra un massimo di otto diversi materiali di stampa. Questa nuova tecnica consente la creazione di forme complesse in una frazione del tempo attualmente richiesto utilizzando testine di stampa che vanno da un singolo ugello a grandi matrici multi-ugello.
Queste stesse testine di stampa 3D sono prodotte utilizzando la stampa 3D, consentendo la loro rapida personalizzazione e facilitando l’adozione da parte di altri nella comunità di fabbricazione. Ogni ugello è in grado di scambiare materiali fino a 50 volte al secondo, il che è più veloce di quanto l’occhio possa vedere, o circa quanto un colibrì batte le ali.
La stampa MM3D può anche essere utilizzata per creare oggetti più complessi, inclusi i robot di azionamento. Il team di ricerca ha progettato e stampato un robot morbido composto da elastomeri rigidi e morbidi in uno schema simile a un millepiedi che includeva canali pneumatici incorporati che consentono ai “muscoli” morbidi di essere compressi in sequenza da un vuoto, facendo “camminare” il robot. Il robot era in grado di muoversi a quasi mezzo pollice al secondo mentre trasportava un carico otto volte il proprio peso e poteva essere collegato ad altri robot per trasportare carichi più pesanti.
“La stampa 3D sta rivoluzionando l’industria manifatturiera consentendo alle persone di creare senza la necessità di macchinari e materie prime costose, e questa nuova avanzata promette di migliorare notevolmente il ritmo dell’innovazione in questa eccitante area.”
Donald Ingber, MD, Ph.D. , Direttore fondatore di Wyss
“Questo metodo consente la rapida progettazione e fabbricazione di materia voxelated, che è un paradigma emergente nel nostro campo”, ha dichiarato l’autore corrispondente Jennifer A. Lewis, Sc.D. , che è un membro della facoltà principale presso l’Istituto Wyss e il professore di ingegneria biologicamente ispirata Hansjörg Wyss al SEAS. “Utilizzando la nostra vasta gamma di inchiostri funzionali, strutturali e biologici, i materiali disparati possono ora essere perfettamente integrati in oggetti stampati in 3D su richiesta.”
Il fatto che il professor Lewis sia coinvolto in questa ricerca fa molto per dimostrare che l’obiettivo finale per la stampa 3D multi-ugello rapida e precisa è la stampa biologica di tessuti e organi. Il professor Lewis sta conducendo alcune delle ricerche più avanzate al mondo su materiali e biomateriali per la stampa 3D di estrusione . Uno dei limiti principali nella stampa 3D di organi avanzati è la capacità di replicare la complessa struttura multi-materiale – inclusa la vascolarizzazione – usando idrogel senza compromettere l’attività cellulare. Altre interessanti potenziali applicazioni, anche precedentemente dimostrate dal Prof. Lewis e dal suo team, si concentrano sulla robotica leggera.
È importante sottolineare che le attuali testine di stampa MM3D possono stampare solo parti periodiche (ovvero ripetute). Ma il team prevede che la stampa MM3D continuerà ad evolversi, alla fine presentando ugelli che possono estrudere inchiostri diversi in momenti diversi, ugelli più piccoli per una maggiore risoluzione e array ancora più grandi per una stampa 3D rapida, a singolo passaggio, con una vasta gamma di dimensioni e risoluzione bilancia. Stanno anche esplorando l’uso di inchiostri sacrificali per creare forme ancora più complesse.
MM3D
La stampa 3D multi-ugello multimateriale (MM3D) può passare da un massimo di otto inchiostri diversi 50 volte al secondo, consentendo la creazione di oggetti 3D complessi e di alta qualità in una frazione del tempo attualmente richiesto da altri metodi di stampa basati su estrusione. Credito: Wyss Institute presso l’Università di Harvard
Perché la stampa 3D multi-materiale su Wyss
Le stampanti 3D stanno rivoluzionando la produzione consentendo agli utenti di creare qualsiasi forma fisica che possano immaginare su richiesta. Tuttavia, la maggior parte delle stampanti commerciali è in grado di costruire oggetti da un solo materiale alla volta e le stampanti a getto d’inchiostro in grado di stampare multimateriale sono vincolate dalla fisica della formazione delle goccioline. La stampa 3D basata su estrusione consente di stampare un’ampia gamma di materiali, ma il processo è estremamente lento. Ad esempio, occorrerebbero circa 10 giorni per costruire un oggetto 3D di circa un litro di volume alla risoluzione di un capello umano e una velocità di stampa di 10 cm / s usando una testina di stampa a singolo materiale a ugello singolo. Per costruire lo stesso oggetto in meno di 1 giorno, è necessario implementare una testina di stampa con 16 ugelli che stampano contemporaneamente.
“Quando si stampa un oggetto utilizzando una tradizionale stampante 3D basata su estrusione, il tempo necessario per stamparlo si ridimensiona in modo cubico con la lunghezza dell’oggetto, poiché l’ugello di stampa deve spostarsi in tre dimensioni anziché in una sola”, ha affermato il co-primo autore Mark Skylar-Scott, Ph.D., ricercatore associato presso il Wyss Institute. “La combinazione di matrici multi-ugello di MM3D con la possibilità di alternare tra più inchiostri elimina rapidamente il tempo perso nel cambio delle testine di stampa e aiuta a ridurre la legge di ridimensionamento da cubi a lineari, in modo da poter stampare oggetti 3D multimateriali e periodici molto più rapidamente. ”
MM3D
La testina di stampa può contenere più ugelli, ognuno dei quali può stampare fino a otto materiali diversi. Una serie di canali ramificati distribuisce gli “inchiostri” agli ugelli. Credito: Lori K. Sanders
La chiave per la rapida commutazione dell’inchiostro della stampa MM3D è una serie di giunzioni a forma di Y all’interno della testina di stampa in cui più canali di inchiostro si uniscono in un unico ugello di uscita. La forma dell’ugello, la pressione di stampa e la viscosità dell’inchiostro sono tutte calcolate e calibrate con precisione in modo tale che quando la pressione viene applicata a uno dei “bracci” della giunzione, l’inchiostro che scorre giù attraverso quel braccio non provoca l’inchiostro statico in l’altro braccio scorre all’indietro, impedendo la miscelazione degli inchiostri e preservando la qualità dell’oggetto stampato. Operando con le testine di stampa utilizzando un gruppo di valvole pneumatiche veloci, questo comportamento a flusso unidirezionale consente il rapido assemblaggio di filamenti multimateriali che fuoriescono continuamente da ciascun ugello e consente la costruzione di una parte multimateriale 3D.
“Poiché la stampa MM3D può produrre oggetti così rapidamente, è possibile utilizzare materiali reattivi le cui proprietà cambiano nel tempo, come epossidici, siliconi, poliuretani o bio-inchiostri”, ha affermato il co-primo autore Jochen Mueller, Ph.D., Research Fellow presso il Wyss Institute e SEAS. “Si possono anche facilmente integrare materiali con proprietà disparate per creare architetture simili a origami o robot morbidi che contengono elementi sia rigidi che flessibili.
La rapida commutazione tra gli inchiostri è ottenuta grazie alle speciali giunzioni a forma di Y in ciascun ugello (all’estrema sinistra) che sono calibrate con precisione per impedire la miscelazione o il riflusso degli inchiostri durante la stampa. Le giunzioni possono essere multiplexate per lavori di stampa più grandi e possono essere personalizzate per tenere conto di materiali con proprietà fisiche diverse (seconda da destra). Credito: Lori K. Sanders
Per dimostrare la loro tecnica, i ricercatori hanno stampato una struttura origami Miura composta da sezioni rigide di “pannelli” collegate da sezioni di “cerniera” altamente flessibili. I metodi precedenti per costruire una tale struttura richiedevano il loro assemblaggio manuale insieme in strati sovrapposti: la testina di stampa MM3D era in grado di stampare l’intero oggetto in un unico passaggio utilizzando otto ugelli per estrudere continuamente due inchiostri epossidici alternati le cui rigidità differivano di quattro ordini di grandezza dopo essere guarito. Le cerniere hanno resistito a oltre 1.000 cicli di piegatura prima di guastarsi, indicando l’alta qualità delle transizioni tra i materiali rigidi e flessibili raggiunti durante la stampa.
