As impressoras 3-D estão revolucionando a manufatura, permitindo que os usuários criem sob demanda qualquer forma física que possam imaginar. Contudo, a maioria das impressoras comerciais são capazes de construir objetos a partir de um único material de cada vez e as impressoras a jato de tinta que são capazes de impressão multimaterial são restringidas pela física de formação de gotículas. A impressão 3D baseada em extrusão permite que uma ampla paleta de materiais seja impressa, mas o processo é extremamente lento. Por exemplo, levaria cerca de 10 dias para construir um objeto 3-D com aproximadamente um litro de volume na resolução de um cabelo humano e velocidade de impressão de 10 cm / s usando um único bico, cabeçote de impressão de material único. Para construir o mesmo objeto em menos de 1 dia, seria necessário implementar uma cabeça de impressão com 16 bocais de impressão simultaneamente!

Agora, uma nova técnica chamada impressão multimaterial multinozzle 3-D (MM3D) desenvolvida no Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard e na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) John A. Paulson usa válvulas de pressão de alta velocidade para obter rapidez, contínuo, e alternar perfeitamente entre até oito materiais de impressão diferentes, permitindo a criação de formas complexas em uma fração do tempo necessário atualmente usando cabeçotes de impressão que variam de um único bico a grandes matrizes de multinozzle. Essas cabeças de impressão 3-D são fabricadas usando impressão 3-D, permitindo sua rápida customização e facilitando a adoção por outros na comunidade de fabricação. Cada bico é capaz de trocar materiais em até 50 vezes por segundo, que é mais rápido do que os olhos podem ver, ou tão rápido quanto um beija-flor bate suas asas. A pesquisa é relatada em Natureza .

"Ao imprimir um objeto usando uma impressora 3-D baseada em extrusão convencional, o tempo necessário para imprimir é dimensionado cubicamente com o comprimento do objeto, porque o bico de impressão deve se mover em três dimensões em vez de apenas uma, "disse o co-primeiro autor Mark Skylar-Scott, Ph.D., um Pesquisador Associado no Instituto Wyss. "A combinação de matrizes multinozzle do MM3D com a capacidade de alternar entre várias tintas rapidamente elimina efetivamente o tempo perdido na troca de cabeçotes de impressão e ajuda a reduzir a lei do dimensionamento de cúbico para linear, para que você possa imprimir multimateriais, objetos 3-D periódicos muito mais rapidamente. "

A chave para a rápida troca de tinta da impressão MM3D é uma série de junções em forma de Y dentro da cabeça de impressão, onde vários canais de tinta se unem em um único bico de saída. A forma do bico, pressão de impressão, e a viscosidade da tinta são calculadas com precisão e ajustadas de modo que, quando a pressão é aplicada a um dos "braços" da junção, a tinta que flui por esse braço não faz com que a tinta estática no outro braço flua para trás, o que evita que as tintas se misturem e preserva a qualidade do objeto impresso. Ao operar os cabeçotes de impressão usando um banco de válvulas pneumáticas rápidas, este comportamento de fluxo unilateral permite a rápida montagem de filamentos multimateriais que fluem continuamente para fora de cada bocal, e permite a construção de uma peça multimaterial 3-D. O comprimento dos canais de tinta também pode ser ajustado para levar em conta os materiais que têm diferentes viscosidades e tensões de rendimento, e, portanto, fluem mais rápida ou lentamente do que outras tintas.

"Como a impressão MM3D pode produzir objetos tão rapidamente, pode-se usar materiais reativos cujas propriedades mudam ao longo do tempo, como epóxis, silicones, poliuretanos, ou bio-tintas, "disse o co-primeiro autor Jochen Mueller, Ph.D., um pesquisador do Wyss Institute e SEAS. "Também é possível integrar prontamente materiais com propriedades díspares para criar arquiteturas semelhantes a origami ou robôs macios que contêm elementos rígidos e flexíveis."

Para demonstrar sua técnica, os pesquisadores imprimiram uma estrutura de origami Miura composta de seções de "painel" rígidas conectadas por seções de "dobradiça" altamente flexíveis. Os métodos anteriores de construção de tal estrutura exigem montá-los manualmente em camadas empilhadas - o cabeçote de impressão MM3D foi capaz de imprimir o objeto inteiro em uma única etapa usando oito bicos para extrudar continuamente duas tintas epóxi alternadas, cuja rigidez diferia em quatro ordens de magnitude após sendo curado. As dobradiças resistiram a 1, 000 ciclos de dobramento antes de falhar, indicando a alta qualidade das transições entre os materiais rígidos e flexíveis alcançados durante a impressão.

A impressão MM3D também pode ser usada para criar objetos mais complexos, incluindo robôs atuantes. A equipe de pesquisa projetou e imprimiu um robô macio composto de elastômeros rígidos e macios em um padrão semelhante a um milípede que incluía canais pneumáticos embutidos que permitem que os "músculos" macios sejam comprimidos sequencialmente por um vácuo, fazendo o robô "andar". O robô foi capaz de se mover a quase meia polegada por segundo enquanto carregava uma carga oito vezes o seu próprio peso, e pode ser conectado a outros robôs para transportar cargas mais pesadas.

"Este método permite o rápido design e fabricação de matéria voxelada, que é um paradigma emergente em nosso campo, "disse a autora correspondente Jennifer A. Lewis, Sc.D., que é um membro do corpo docente do Instituto Wyss e Professor Hansjörg Wyss de Engenharia com inspiração biológica no SEAS. "Usando nossa ampla paleta de funções, estrutural, e tintas biológicas, materiais díspares agora podem ser integrados perfeitamente em objetos impressos em 3D sob demanda. "

Mais importante, Os cabeçotes de impressão MM3D atuais só podem imprimir periódicos (ou seja, repetição) partes. Mas a equipe prevê que a impressão MM3D continuará a evoluir, eventualmente apresentando bicos que podem extrusar tintas diferentes em momentos diferentes, bocais menores para maior resolução, e matrizes ainda maiores para impressão 3D em uma única etapa em uma ampla variedade de escalas de tamanho e resolução. Eles também estão explorando o uso de tintas sacrificiais para criar formas ainda mais complexas.

"A impressão 3-D está revolucionando a indústria de manufatura, permitindo que as pessoas criem sem a necessidade de máquinas e matérias-primas caras, e este novo avanço promete melhorar drasticamente o ritmo de inovação nesta área emocionante, "disse o Diretor Fundador da Wyss, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia no SEAS.