Принтер научился «выращивать» кости и кожу. Спойлер: Биология тут совершенно ни при чем

Обычная 3D-печать долго работала по простому правилу: деталь выходила одинаковой по всей толщине, без «характера» и внутренних различий. Группа американских исследователей решила сломать этот подход и научила принтер менять свойства пластика прямо в процессе печати. Новый метод получил название CRAFT, а главным инструментом управления неожиданно стал свет.

Технологию разработали специалисты Savannah River National Laboratory в Южной Каролине вместе с партнерами из университетов и других национальных лабораторий. Суть идеи сводится к тому, что во время печати ученые меняют интенсивность света и тем самым заставляют полимеры выстраиваться по-разному на молекулярном уровне. В результате один и тот же материал может в разных участках одной детали вести себя совершенно по-разному.

Раньше пластиковый кронштейн получался одинаково жестким сверху и снизу, а напечатанная перчатка сохраняла одинаковую гибкость по всей поверхности. CRAFT меняет логику производства. Более яркий свет может сделать участок твердым почти как кость, а снижение интенсивности превращает следующий слой той же жидкой смолы в мягкий и податливый материал, больше похожий на кожу.

Руководитель проекта Сэм Легисамон говорит, что такого уровня контроля над подобными материалами раньше не было. По словам исследователя, управление тем, как полимеры формируются во время печати, открывает новые возможности не только для производства, но и для всей науки о полимерах.

Команда проверила подход на наглядных примерах. С помощью CRAFT ученые напечатали мягкую модель черепахи, в которой разные участки получили разную гибкость и разные физические свойства. Позже исследователи из Техасского университета в Остине пошли дальше и за один сеанс создали подробную модель человеческой руки. Обычно для реалистичного медицинского макета приходится собирать десятки отдельных элементов, но новый метод позволил обойтись одной непрерывной печатью и одним материалом. Готовая модель сочетала жесткие внутренние «кости», упругие «связки» и мягкую наружную «кожу».

Авторы работы подчеркивают, что раньше схожих изменений структуры материала добивались с помощью агрессивной химии или сильного нагрева. CRAFT позволил получить такие же сложные структурные переходы одним только светом, без лишних и более тяжелых стадий обработки. Исследователи отслеживали изменения прозрачности и убедились, что регулировка освещения действительно меняет внутреннее строение материала.

В лаборатории считают, что новый подход меняет сам взгляд на производство пластиковых деталей. Теперь инженеры могут не просто принимать материал «как вышел из принтера», а заранее закладывать нужные свойства под конкретную задачу еще на этапе печати.

Практическое применение выглядит очень широким. Аэрокосмическая отрасль может получить детали, где одна зона выдерживает высокую температуру, а другая гасит вибрации. Энергетика сможет использовать новый метод для сложных систем, рассчитанных на высокие нагрузки, включая решения для ядерной безопасности. Биомедицина получит более реалистичные протезы и анатомические модели, которые точнее повторяют разную плотность костей и мягких тканей. Если технология доберется до массового производства, 3D-печать перестанет быть способом делать просто пластиковые формы и превратится в инструмент для создания деталей с заранее заданным «поведением» внутри одного изделия.