Один материал, чтобы править всеми. Напечатанные 3D-руки теперь не отличить от настоящих (и они не портятся)

Ученые из Техасского университета в Остине вместе с Sandia National Laboratories придумали способ 3D-печати, при котором один и тот же дешевый материал может вести себя как разные вещества. В одной модели можно задать разные свойства: где-то сделать участок твердым и прозрачным, а рядом оставить мягкий и мутный. Для этого не нужно смешивать разные пластики или использовать сложные составы. Достаточно одного сырья и правильной настройки света во время печати. Метод получил название CRAFT.

В основе технологии обычная жидкая смола cyclooctene. В стандартном виде это самый простой пластик без особых свойств. Но исследователи заметили, что во время затвердевания можно управлять тем, как молекулы выстраиваются в структуру материала. Они начали менять не состав смолы, а интенсивность света, который проходит через 3D-принтер. Печать идет с помощью полутоновых изображений: где свет ярче, структура формируется иначе, где слабее, иначе. В итоге внутри одного объекта появляются участки с разной плотностью, твердостью и прозрачностью, хотя химически это один и тот же материал.

Один фрагмент детали может быть жестким и почти стеклянным, а соседний, напечатанный из той же смолы, остается мягким и матовым. Никаких склеек, слоев из разных материалов и слабых швов между ними. Все формируется в одном монолитном объекте.

Самый наглядный пример применения технологии связан с медицинским обучением. Сейчас студенты-медики, изучая хирургию и прочие дисциплины, либо работают с кадаврами, что дорого, сложно в организации и связано с этическими вопросами, либо используют пластиковые модели, которые плохо передают реальные ощущения тканей. Команда напечатала реалистичную модель человеческой руки, используя один материал. Внутри одной конструкции удалось воспроизвести разницу между кожей, связками, сухожилиями и костями по плотности и текстуре. Переходы между ними получаются плавными и прочными, без хрупких стыков. Такие модели можно использовать как учебные пособия без сложной логистики и зависимости от биологических образцов.

Технология решает и другую старую проблему 3D-печати. В многоматериальных принтерах часто возникают слабые соединения, то есть своего рода швы между разными слоями, из-за чего изделия ломаются именно в местах стыков. В случае CRAFT объект остается цельным, а различия в свойствах формируются внутри структуры, а не на границах материалов.

В природе прочность часто появляется за счет сочетания жестких и мягких слоев, например в коре деревьев. Такие же комбинации можно создавать и в искусственных изделиях. Это полезно для защитного снаряжения, шлемов, элементов брони, материалов для гашения ударов и вибраций, а также для звукоизоляции.

Отдельный плюс технологии в том, что она не требует дорогого оборудования. Метод работает с обычными DLP- и LCD-принтерами, которые считаются одними из самых доступных на рынке. Принтер с поддержкой полутоновой проекции можно купить примерно за 1 000 долларов или даже дешевле. Это делает технологию реальной не только для крупных лабораторий, но и для небольших исследовательских групп и учебных заведений.

Материал нельзя назвать полностью перерабатываемым, но отходов становится меньше. Напечатанные объекты можно расплавить или растворить в растворителе и затем снова использовать то же сырье для печати других форм. Это снижает количество пластиковых отходов при экспериментах и прототипировании. Проект поддержали Министерство энергетики США, Национальный научный фонд и фонд Роберта А. Уэлча.