Le stampanti 3D stanno rivoluzionando la produzione consentendo agli utenti di creare qualsiasi forma fisica che possano immaginare su richiesta. Però, la maggior parte delle stampanti commerciali è in grado di costruire oggetti solo da un singolo materiale alla volta e le stampanti a getto d'inchiostro che sono in grado di stampare multimateriale sono vincolate dalla fisica della formazione delle gocce. La stampa 3D basata sull'estrusione consente di stampare un'ampia gamma di materiali, ma il processo è estremamente lento. Per esempio, ci vorrebbero circa 10 giorni per costruire un oggetto 3D con un volume di circa un litro alla risoluzione di un capello umano e una velocità di stampa di 10 cm/s utilizzando un singolo ugello, testina di stampa monomateriale. Per costruire lo stesso oggetto in meno di 1 giorno, bisognerebbe implementare una testina di stampa con 16 ugelli che stampano contemporaneamente!

Ora, una nuova tecnica chiamata stampa multimateriale multinozzle 3-D (MM3D) sviluppata presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard e la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utilizza valvole di pressione ad alta velocità per ottenere risultati rapidi, continuo, e il passaggio senza interruzioni tra un massimo di otto diversi materiali di stampa, consentendo la creazione di forme complesse in una frazione del tempo attualmente richiesto utilizzando testine di stampa che vanno da un singolo ugello a grandi matrici di più ugelli. Queste stesse testine di stampa 3D sono prodotte utilizzando la stampa 3D, consentendo la loro rapida personalizzazione e facilitando l'adozione da parte di altri nella comunità di fabbricazione. Ogni ugello è in grado di cambiare materiale fino a 50 volte al secondo, che è più veloce di quanto l'occhio possa vedere, o veloce quanto un colibrì batte le ali. La ricerca è riportata in Natura .

"Quando si stampa un oggetto utilizzando una stampante 3D convenzionale basata su estrusione, il tempo necessario per stamparlo scala cubicamente con la lunghezza dell'oggetto, perché l'ugello di stampa deve muoversi in tre dimensioni anziché in una sola, " ha detto il co-primo autore Mark Skylar-Scott, dottorato di ricerca, un ricercatore associato presso il Wyss Institute. "La combinazione di array multiugelli di MM3D con la capacità di passare rapidamente da un inchiostro all'altro elimina efficacemente il tempo perso per cambiare le testine di stampa e aiuta a ridurre la legge di scala da cubica a lineare, così puoi stampare multimateriale, oggetti 3D periodici molto più rapidamente."

La chiave per il rapido cambio di inchiostro della stampa MM3D è una serie di giunzioni a forma di Y all'interno della testina di stampa in cui più canali di inchiostro si uniscono in un singolo ugello di uscita. La forma dell'ugello, pressione di stampa, e la viscosità dell'inchiostro sono tutti calcolati e regolati con precisione in modo che quando viene applicata pressione a uno dei "bracci" della giunzione, l'inchiostro che scorre verso il basso attraverso quel braccio non fa sì che l'inchiostro statico nell'altro braccio scorra all'indietro, che impedisce agli inchiostri di mescolarsi e preserva la qualità dell'oggetto stampato. Azionando le testine di stampa utilizzando un banco di valvole pneumatiche veloci, questo comportamento di flusso unidirezionale consente il rapido assemblaggio di filamenti multimateriali che fuoriescono continuamente da ciascun ugello, e consente la costruzione di una parte multimateriale 3D. La lunghezza dei canali dell'inchiostro può anche essere regolata per tenere conto di materiali che hanno viscosità e sollecitazioni di snervamento diverse, e quindi scorrono più rapidamente o lentamente rispetto ad altri inchiostri.

"Poiché la stampa MM3D può produrre oggetti così rapidamente, si possono utilizzare materiali reattivi le cui proprietà cambiano nel tempo, come le resine epossidiche, siliconi, poliuretani, o bio-inchiostri, " ha detto il co-primo autore Jochen Mueller, dottorato di ricerca, un ricercatore presso il Wyss Institute e SEAS. "Si possono anche integrare facilmente materiali con proprietà disparate per creare architetture simili a origami o robot morbidi che contengono elementi sia rigidi che flessibili".

Per dimostrare la loro tecnica, i ricercatori hanno stampato una struttura di origami Miura composta da sezioni rigide di "pannello" collegate da sezioni di "cerniera" altamente flessibili. I metodi precedenti per costruire una struttura del genere richiedono l'assemblaggio manuale di questi ultimi in strati sovrapposti:la testina di stampa MM3D è stata in grado di stampare l'intero oggetto in un unico passaggio utilizzando otto ugelli per estrudere continuamente due inchiostri epossidici alternati le cui rigidità differivano di quattro ordini di grandezza dopo essere guarito. Le cerniere hanno resistito oltre 1, 000 cicli di piegatura prima di fallire, indicando l'alta qualità delle transizioni tra i materiali rigidi e flessibili ottenuti durante la stampa.

La stampa MM3D può essere utilizzata anche per creare oggetti più complessi, compresi i robot di azionamento. Il team di ricerca ha progettato e stampato un robot morbido composto da elastomeri rigidi e morbidi in uno schema simile a un millepiedi che includeva canali pneumatici incorporati che consentono ai "muscoli" morbidi di essere compressi in sequenza da un vuoto, facendo "camminare" il robot. Il robot è stato in grado di muoversi a quasi mezzo pollice al secondo mentre trasportava un carico otto volte il proprio peso, e potrebbe essere collegato ad altri robot per trasportare carichi più pesanti.

"Questo metodo consente la progettazione e la fabbricazione rapida di materia voxelata, che è un paradigma emergente nel nostro campo, " ha detto l'autore corrispondente Jennifer A. Lewis, Sc.D., che è membro principale della facoltà presso il Wyss Institute e Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering presso SEAS. "Utilizzando la nostra vasta gamma di funzioni, strutturale, e inchiostri biologici, materiali disparati possono ora essere integrati senza soluzione di continuità in oggetti stampati in 3D su richiesta".

È importante sottolineare che le attuali testine di stampa MM3D possono stampare solo periodici (cioè, ripetendo) parti. Ma il team prevede che la stampa MM3D continuerà ad evolversi, eventualmente dotati di ugelli in grado di estrudere inchiostri diversi in tempi diversi, ugelli più piccoli per una maggiore risoluzione, e array ancora più grandi per una rapida, stampa 3D in un'unica fase con un'ampia gamma di scale di dimensioni e risoluzione. Stanno anche esplorando l'uso di inchiostri sacrificali per creare forme ancora più complesse.

"La stampa 3D sta rivoluzionando l'industria manifatturiera consentendo alle persone di creare senza la necessità di costosi macchinari e materie prime, e questo nuovo progresso promette di migliorare notevolmente il ritmo dell'innovazione in questa entusiasmante area, ", ha affermato il direttore fondatore di Wyss, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso la Harvard Medical School e il Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, nonché Professore di Bioingegneria presso SEAS.