Вчені навчили 3D-принтер друкувати деталі прямо на готових пристроях за кілька секунд

Міжнародна група дослідників представила технологію тривимірного друку, яка дозволяє формувати нові деталі безпосередньо на вже зібраних пристроях або навколо них — і все це займає лічені секунди. Під час випробувань система надрукувала мікроскопічні канали навколо скляних сфер, виготовила високоточні шестерні прямо на сталевих стрижнях і сформувала мініатюрну лінзу на поверхні працюючого світлодіода. Результати опубліковані у журналі Nature Com­mu­ni­ca­tions.

Технологія є вдосконаленою версією томографічного об’ємного адитивного виробництва (Tomo­graph­ic Vol­u­met­ric Addi­tive Man­u­fac­tur­ing, TVAM). На відміну від звичайних 3D-принтерів, що вибудовують об’єкт пошарово, нова система майже одночасно «вирощує» всю тривимірну структуру всередині об’єму фотополімерної смоли. Установка проєктує в ємність із рідкою світлочутливою смолою, що обертається, серію спеціально розрахованих світлових зображень — і щойно смола отримує достатню дозу світлової енергії, потрібна конструкція тверднє майже миттєво.

Ключовою проблемою, яка раніше стримувала розвиток об’ємного друку, була поведінка світла всередині складних конструкцій. Якщо в смолі вже розміщені металеві, скляні або інші елементи, вони змінюють траєкторію світлових променів і псують якість друку. Більшість існуючих моделей розглядали такі об’єкти або як повністю прозорі, або як повністю непрозорі — і обидва спрощення виявлялися недостатніми в реальних умовах.

Щоб вирішити цю проблему, дослідники розробили обчислювальну платформу Dr.TVAM. Вона базується на фізично коректному трасуванні променів і моделює поширення світла з урахуванням відбиття, заломлення, розсіювання та поглинання — а також форми контейнера й оптичних властивостей різних матеріалів. Одночасно програма розраховує оптимальні світлові проєкції, необхідні для формування потрібної деталі. Вихідний код, файли конфігурації та експериментальні дані платформи опубліковані у відкритому доступі.

Одним із найефектніших результатів стало виготовлення мікрофлюїдних каналів усередині вже зібраних герметичних камер. Такі пристрої широко застосовуються в біомедичних дослідженнях, діагностиці та технологіях «орган-на-чипі». Зазвичай канали виготовляють окремо, а потім збирають вручну — що підвищує ризик забруднення та протікань. Нова технологія дозволила сформувати прямі канали, розгалужені мережі та спіральні структури безпосередньо всередині готової камери, а після друку через них вдалося пропустити забарвлену рідину, підтвердивши їхню працездатність.

Окремий експеримент продемонстрував так званий контекстно-залежний друк. Усередині камери з гідрогелем розмістили дві скляні сфери, після чого система менш ніж за хвилину автоматично визначила їхнє тривимірне положення за зображеннями лише з двох камер і розрахувала індивідуальні параметри друку. Захисні порожнини та з’єднувальні канали навколо сфер були сформовані менш ніж за три хвилини від початку сканування. На думку авторів, у майбутньому цей підхід дозволить принтеру автоматично адаптуватися до фактичного розташування живих тканин або органоїдів — без необхідності їх точного попереднього позиціювання.

Ще один дослід показав важливість точного моделювання при роботі з металевими деталями: коли програма не враховувала розсіювання світла від полірованої поверхні сталевого стрижня, дрібні отвори надрукованої шестерні виходили деформованими через надмірну полімеризацію. Після додавання реалістичної моделі розсіювання якість суттєво покращилася. Окремо дослідники надрукували мініатюрну лінзу прямо на поверхні червоного світлодіода — після його увімкнення лінза проєктувала зображення на екран, фактично перетворивши стандартний світлодіод на мініатюрний проєктор без жодного додаткового складання. У подальшому команда планує підвищити точність технології, врахувавши в розрахунках зміну показника заломлення матеріалу під час полімеризації та дифузію хімічних інгібіторів.