Les imprimantes 3D révolutionnent la fabrication en permettant aux utilisateurs de créer n'importe quelle forme physique qu'ils peuvent imaginer à la demande. Cependant, la plupart des imprimeurs commerciaux ne sont capables de créer des objets qu'à partir d'un seul matériau à la fois et les imprimantes à jet d'encre capables d'imprimer plusieurs matériaux sont limitées par la physique de la formation de gouttelettes. L'impression 3D par extrusion permet d'imprimer une large palette de matériaux, mais le processus est extrêmement lent. Par exemple, il faudrait environ 10 jours pour construire un objet 3D d'un volume d'environ un litre à la résolution d'un cheveu humain et à une vitesse d'impression de 10 cm/s à l'aide d'une seule buse, tête d'impression mono-matière. Pour construire le même objet en moins d'1 jour, il faudrait mettre en place une tête d'impression avec 16 buses imprimant simultanément !

Maintenant, une nouvelle technique appelée impression multimatériau multi-buses 3-D (MM3D) développée au Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard et à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utilise des vannes de pression à grande vitesse pour obtenir rapidement, continu, et une commutation transparente entre jusqu'à huit matériaux d'impression différents, permettant la création de formes complexes en une fraction du temps actuellement requis à l'aide de têtes d'impression allant d'une seule buse à de grands réseaux de plusieurs buses. Ces têtes d'impression 3D sont elles-mêmes fabriquées par impression 3D, permettant leur personnalisation rapide et facilitant l'adoption par d'autres dans la communauté de fabrication. Chaque buse est capable de changer de matériau jusqu'à 50 fois par seconde, qui est plus rapide que l'œil ne peut voir, ou à peu près aussi vite qu'un colibri bat des ailes. La recherche est rapportée dans La nature .

"Lors de l'impression d'un objet à l'aide d'une imprimante 3D conventionnelle basée sur l'extrusion, le temps nécessaire pour l'imprimer s'échelonne cubiquement avec la longueur de l'objet, parce que la buse d'impression doit se déplacer en trois dimensions plutôt qu'une seule, " a déclaré le co-premier auteur Mark Skylar-Scott, Doctorat., un associé de recherche à l'Institut Wyss. « La combinaison de matrices multi-buses de MM3D avec la possibilité de basculer rapidement entre plusieurs encres élimine efficacement le temps perdu à changer de tête d'impression et aide à réduire la loi de mise à l'échelle de cubique à linéaire, ainsi vous pouvez imprimer multimatériaux, objets 3-D périodiques beaucoup plus rapidement."

La clé de la commutation rapide d'encre de l'impression MM3D est une série de jonctions en forme de Y à l'intérieur de la tête d'impression où plusieurs canaux d'encre se rejoignent au niveau d'une seule buse de sortie. La forme de la buse, pression d'impression, et la viscosité de l'encre sont toutes calculées et réglées avec précision de sorte que lorsqu'une pression est appliquée sur l'un des "bras" de la jonction, l'encre qui coule à travers ce bras ne fait pas couler l'encre statique dans l'autre bras vers l'arrière, ce qui empêche les encres de se mélanger et préserve la qualité de l'objet imprimé. En actionnant les têtes d'impression à l'aide d'une batterie de vannes pneumatiques rapides, ce comportement d'écoulement unidirectionnel permet l'assemblage rapide de filaments multimatériaux qui s'écoulent en continu de chaque buse, et permet la construction d'une pièce multimatériaux en 3D. La longueur des canaux d'encre peut également être ajustée pour tenir compte des matériaux qui ont des viscosités et des limites d'élasticité différentes, et coulent ainsi plus rapidement ou plus lentement que les autres encres.

"Parce que l'impression MM3D peut produire des objets si rapidement, on peut utiliser des matériaux réactifs dont les propriétés évoluent dans le temps, tels que les époxydes, silicones, polyuréthanes, ou bio-encres, " a déclaré le co-premier auteur Jochen Mueller, Doctorat., chercheur au Wyss Institute et au SEAS. "On peut également facilement intégrer des matériaux aux propriétés disparates pour créer des architectures de type origami ou des robots souples qui contiennent à la fois des éléments rigides et flexibles."

Pour démontrer leur technique, les chercheurs ont imprimé une structure d'origami Miura composée de sections de "panneau" rigides reliées par des sections de "charnière" très flexibles. Les méthodes précédentes de construction d'une telle structure nécessitaient de les assembler manuellement en couches empilées - la tête d'impression MM3D était capable d'imprimer l'objet entier en une seule étape en utilisant huit buses pour extruder en continu deux encres époxy dont les rigidités différaient de quatre ordres de grandeur après être guéri. Les charnières ont résisté à plus de 1, 000 cycles de pliage avant défaillance, indiquant la haute qualité des transitions entre les matériaux rigides et flexibles obtenus lors de l'impression.

L'impression MM3D peut également être utilisée pour créer des objets plus complexes, y compris les robots d'actionnement. L'équipe de recherche a conçu et imprimé un robot souple composé d'élastomères rigides et souples dans un motif en forme de mille-pattes qui comprenait des canaux pneumatiques intégrés qui permettent aux "muscles" mous d'être compressés séquentiellement par un vide, faire "marcher" le robot. Le robot était capable de se déplacer à près d'un demi-pouce par seconde tout en portant une charge huit fois son propre poids, et pourrait être connecté à d'autres robots pour transporter des charges plus lourdes.

"Cette méthode permet la conception et la fabrication rapides de matière voxélisée, qui est un paradigme émergent dans notre domaine, " a déclaré l'auteur correspondant Jennifer A. Lewis, Sc.D., qui est membre principal du corps professoral à l'Institut Wyss et professeur Hansjörg Wyss d'ingénierie biologiquement inspirée à SEAS. « En utilisant notre large palette de produits fonctionnels, de construction, et encres biologiques, des matériaux disparates peuvent désormais être intégrés de manière transparente dans des objets imprimés en 3D à la demande. »

Surtout, les têtes d'impression MM3D actuelles ne peuvent imprimer que périodiquement (c'est-à-dire, répétition) parties. Mais l'équipe envisage que l'impression MM3D continuera d'évoluer, comportant éventuellement des buses qui peuvent extruder différentes encres à différents moments, buses plus petites pour une meilleure résolution, et des matrices encore plus grandes pour une rapidité, impression 3D en une seule étape dans une large gamme d'échelles de taille et de résolution. Ils explorent également l'utilisation d'encres sacrificielles pour créer des formes encore plus complexes.

"L'impression 3D révolutionne l'industrie manufacturière en permettant aux gens de créer sans avoir besoin de machines et de matières premières coûteuses, et cette nouvelle avancée promet d'améliorer considérablement le rythme de l'innovation dans ce domaine passionnant, " a déclaré le directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, ainsi que professeur de bio-ingénierie à SEAS.