I ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato un nuovo, stampante 3D futuristica così grande e così veloce da poter stampare un oggetto delle dimensioni di un essere umano adulto in appena un paio d'ore.

Chiamato HARP (stampa rapida ad alta area), la nuova tecnologia consente una produttività da record in grado di produrre prodotti su richiesta. Negli ultimi 30 anni, la maggior parte degli sforzi nella stampa 3D sono stati mirati a spingere i limiti delle tecnologie legacy. Spesso, la ricerca di parti più grandi è arrivata a scapito della velocità, velocità e risoluzione. Con la tecnologia HARP, questo compromesso non è necessario, consentendogli di competere sia con la risoluzione che con il rendimento delle tecniche di produzione tradizionali.

Il prototipo della tecnologia HARP è alto 13 piedi con un letto di stampa di 6,25 piedi quadrati e può stampare circa mezzo metro in un'ora, un rendimento record per il campo della stampa 3D. Ciò significa che può stampare singoli, parti grandi o molte piccole parti contemporaneamente.

"La stampa 3D è concettualmente potente ma è stata limitata praticamente, " ha detto Chad A. Mirkin della Northwestern, che ha guidato lo sviluppo del prodotto. "Se potessimo stampare velocemente senza limitazioni di materiali e dimensioni, potremmo rivoluzionare la produzione. HARP è pronta a farlo."

Mirkin prevede che HARP sarà disponibile in commercio nei prossimi 18 mesi.

Il lavoro sarà pubblicato il 18 ottobre sulla rivista Scienza . Mirkin è il professore di chimica George B. Rathmann al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern e direttore dell'International Institute of Nanotechnology. David Walker e James Hedrick, entrambi ricercatori nel laboratorio di Mirkin, coautore del documento.

Mantenerlo fresco

HARP utilizza un nuovo, versione in attesa di brevetto della stereolitografia, un tipo di stampa 3D che converte la plastica liquida in oggetti solidi. HARP stampa verticalmente e utilizza la luce ultravioletta proiettata per polimerizzare le resine liquide in plastica indurita. Questo processo può stampare pezzi duri, elastico o addirittura ceramico. Queste parti stampate continuamente sono meccanicamente robuste rispetto alle strutture laminate comuni ad altre tecnologie di stampa 3D. Possono essere utilizzati come parti di automobili, aeroplani, odontoiatria, plantari, moda e molto altro.

Un importante fattore limitante per le attuali stampanti 3D è il calore. Ogni stampante 3D a base di resina genera molto calore quando funziona a velocità elevate, a volte superiori a 180 gradi Celsius. Questo non solo porta a temperature superficiali pericolosamente calde, può anche causare la rottura e la deformazione delle parti stampate. Più è veloce, più calore genera la stampante. E se è grande e veloce, il caldo è incredibilmente intenso.

Questo problema ha convinto la maggior parte delle aziende di stampa 3D a rimanere piccole. "Quando queste stampanti funzionano ad alta velocità, una grande quantità di calore viene generata dalla polimerizzazione della resina, "Ha detto Walker. "Non hanno modo di dissiparlo."

'Teflon liquido'

La tecnologia Northwestern aggira questo problema con un liquido antiaderente che si comporta come il Teflon liquido. HARP proietta la luce attraverso una finestra per solidificare la resina sopra una piastra che si muove verticalmente. Il Teflon liquido scorre sopra la finestra per rimuovere il calore e poi lo fa circolare attraverso un'unità di raffreddamento.

"La nostra tecnologia genera calore proprio come le altre, "Mirkin ha detto. "Ma abbiamo un'interfaccia che rimuove il calore."

"Anche l'interfaccia è antiaderente, che impedisce alla resina di aderire alla stampante stessa, " Ha aggiunto Hedrick. "Ciò aumenta la velocità della stampante di cento volte perché le parti non devono essere ripetutamente separate dal fondo della vasca di stampa".

Arrivederci, magazzini

Gli attuali metodi di produzione possono essere processi ingombranti. Spesso richiedono il riempimento di stampi predisposti, che sono costosi, statico e occupano prezioso spazio di archiviazione. Utilizzando stampi, i produttori stampano le parti in anticipo, spesso indovinando quante potrebbero aver bisogno, e le conservano in magazzini giganti.

Sebbene la stampa 3D stia passando dalla prototipazione alla produzione, Le dimensioni e la velocità delle attuali stampanti 3D le hanno limitate alla produzione di piccoli lotti. HARP è la prima stampante in grado di gestire grandi lotti e pezzi di grandi dimensioni oltre a pezzi piccoli.

"Quando puoi stampare velocemente e in grandi dimensioni, può davvero cambiare il modo in cui pensiamo alla produzione, " disse Mirkin. "Con ARPA, puoi costruire tutto quello che vuoi senza stampi e senza un magazzino pieno di pezzi. Puoi stampare qualsiasi cosa tu possa immaginare su richiesta."

Il più grande della sua categoria

Mentre altre tecnologie di stampa hanno rallentato o ridotto la loro risoluzione per diventare grandi, HARP non fa tali concessioni.

"Ovviamente ci sono molti tipi di stampanti 3D là fuori:vedi le stampanti che costruiscono edifici, ponti e carrozzerie, e viceversa si vedono stampanti in grado di realizzare piccole parti ad altissime risoluzioni, " ha detto Walker. "Siamo entusiasti perché questa è la stampante più grande e con la più alta produttività della sua classe".

Le stampanti sulla scala di HARP spesso producono parti che devono essere levigate o lavorate fino alla loro geometria finale. Ciò aggiunge un grande costo del lavoro al processo di produzione. HARP fa parte di una classe di stampanti 3D che utilizza modelli di luce ad alta risoluzione per ottenere parti pronte all'uso senza un'estesa post-elaborazione. Il risultato è un percorso commercialmente praticabile per la produzione di beni di consumo.

Nano va alla grande

Esperto di fama mondiale in nanotecnologie, Mirkin ha inventato la stampante più piccola del mondo nel 1999. Chiamata nanolitografia a immersione, la tecnologia utilizza una minuscola penna per modellare le caratteristiche su scala nanometrica. Ha quindi passato questo a una serie di minuscole penne che incanalano la luce attraverso ciascuna penna per generare localmente caratteristiche da materiali fotosensibili. La speciale interfaccia antiaderente utilizzata in HARP è nata mentre si lavorava per sviluppare questa tecnologia in una stampante 3D su nanoscala.

"Dal punto di vista volumetrico, abbiamo abbracciato oltre 18 ordini di grandezza, " ha detto Mirkin.

Lo studio, "Rapido, grande volume, stampa 3D termicamente controllata utilizzando un'interfaccia liquida mobile, " è stato sostenuto dall'Air Force Office of Scientific Research (numero premio FA9550-16-1-0150), il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (numero di riconoscimento DE-SC0000989) e la Sherman Fairchild Foundation.