Các giáo sư trường đại học hàng đầu Mỹ vừa sáng chế kỹ thuật in 3D đa đầu in đa vật liệu. Kỹ thuật mới này vừa được có thể in liên tục và liền mạch với tối đa tám vật liệu in khác nhau và có thể in được robot đã kích hoạt sẵn.
Thiết kế đầu in 3D in độc đáo của MM3D cho phép chuyển đổi liền mạch giữa nhiều vật liệu khác nhau lên đến 50 lần mỗi giây, hợp lý hóa quá trình in các cấu trúc phức tạp.
Máy in ba chiều đang cách mạng hóa việc sản xuất bằng cách cho phép người dùng tạo bất kỳ hình dạng vật lý nào họ có thể tưởng tượng theo yêu cầu. Tuy nhiên, hầu hết các máy in thương mại chỉ có thể chế tạo các vật thể từ một vật liệu tại một thời điểm và máy in phun có khả năng in đa vật liệu lại bị hạn chế bởi vật lý của định dạng giọt nhỏ. Kỹ thuật in 3D dựa trên việc ép đùn vật liệu cho phép in một bảng rộng các vật liệu, nhưng quá trình này cực kỳ chậm. Ví dụ, sẽ mất khoảng 10 ngày để tạo ra một vật thể ba chiều có thể tích khoảng một lít ở độ phân giải của tóc người và tốc độ in 10 cm/s bằng cách sử dụng mỗi đầu in một loại vật liệu. Để tạo cùng một đối tượng như vậy trong vòng chưa đầy một ngày, người ta sẽ cần phải thực hiện một đầu in với 16 đầu phun cùng lúc.
Giờ đây, một kỹ thuật mới gọi là kỹ thuật in 3D đa đầu in đa vật liệu (MM3D) được phát triển tại Viện Công nghệ sáng tạo sinh học Wyss của Harvard và Trường Kỹ thuật và Khoa học ứng dụng John A. Paulson (SEAS) sử dụng các van áp suất tốc độ cao để đạt được sự chuyển đổi nhanh chóng, liên tục và liền mạch với tối đa tám vật liệu in khác nhau, cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp trong khoảng nhỏ thời gian so với yêu cầu hiện tại, sử dụng từ một vòi phun đến các mảng lớn đa vòi phun. Bản thân các đầu in 3D này cũng được sản xuất bằng cách in 3D, cho phép tùy chỉnh nhanh chóng và tạo điều kiện cho cộng đồng tự sáng chế thêm. Mỗi vòi có khả năng chuyển đổi vật liệu với tốc độ lên tới 50 lần mỗi giây, nhanh hơn mắt thường có thể nhìn thấy, hoặc nhanh như một con chim ruồi đập cánh. Nghiên cứu này vừa được công bố trên Tạp chí Nature.
Đầu in có thể chứa nhiều đầu phun, mỗi đầu có thể in tới tám vật liệu khác nhau. Một loạt các kênh phân nhánh phân phối các loại mực phun ra cho các vòi phun.
Tiến sĩ Mark Skylar-Scott, đồng tác giả đầu tiên, một nhà nghiên cứu liên kết tại Viện Wyss nói: "Khi in một vật bằng máy in ba chiều dựa trên nền tảng ép đùn thông thường, thời gian cần thiết để in nó tỷ lệ theo hình khối với chiều dài của đối tượng, bởi vì vòi in phải di chuyển theo ba chiều chứ không phải chỉ một chiều. Sự kết hợp các mảng nhiều vòi phun của MM3D với khả năng chuyển đổi giữa nhiều loại mực một cách nhanh chóng giúp loại bỏ thời gian mất để chuyển đổi đầu in và giúp giảm quy mô từ khối sang tuyến tính, do đó bạn có thể in các vật 3D tuần hoàn, đa vật liệu nhanh hơn nhiều".
Chìa khóa để chuyển đổi mực nhanh chóng của in MM3D là một chuỗi các mối nối hình chữ Y bên trong đầu in nơi có nhiều kênh mực kết hợp với nhau tại một đầu ra. Hình dạng của đầu phun, áp suất in và độ nhớt của mực đều được tính toán và điều chỉnh chính xác để khi áp suất được áp vào một trong các "cánh tay" của mối nối, mực chảy xuống qua cánh tay đó không làm mực đang ở cánh tay còn lại chảy ngược, ngăn mực bị trộn lẫn và bảo vệ chất lượng của vật thể in. Bằng cách vận hành các đầu in sử dụng một bộ van khí nén nhanh, hành vi dòng chảy một chiều này cho phép lắp ráp nhanh chóng để các sợi đa vật liệu chảy liên tục từ mỗi vòi và cho phép tạo ra một bộ phận đa vật liệu ba chiều. Chiều dài của các kênh mực cũng được điều chỉnh để cân đong các vật liệu có ứng suất đàn hồi và độ nhớt khác nhau để có dòng chảy nhanh hơn hoặc chậm hơn với các loại mực khác nhau.
Chuyển đổi nhanh giữa các loại mực đạt được nhờ các mối nối hình chữ Y đặc biệt.
Tiến sĩ Jochen Mueller, cũng là đồng tác giả đầu tiên, nghiên cứu viên tại Viện Wyss và SEAS cho biết: "Vì in MM3D có thể tạo ra các vật thể rất nhanh, nên người ta có thể sử dụng các vật liệu phản ứng có tính chất thay đổi theo thời gian. Người ta cũng có thể dễ dàng tích hợp các vật liệu với các thuộc tính khác nhau để tạo ra các kiến trúc nghệ thuật hoặc robot mềm có chứa cả các yếu tố cứng và linh hoạt".
Để thể hiện kỹ thuật của mình, các nhà nghiên cứu đã in một cấu trúc bao gồm các phần cứng của bảng điều khiển được kết nối bởi các phần bản lề có độ linh hoạt cao. Các phương pháp trước đây để xây dựng cấu trúc như vậy đòi hỏi phải tự lắp ráp chúng thành các lớp xếp chồng lên nhau, còn đầu in MM3D có thể in toàn bộ vật thể trong một bước bằng cách sử dụng tám vòi phun để liên tục đùn hai loại mực epoxy xen kẽ có độ cứng khác nhau với bốn yêu cầu về cường độ sau khi lưu hóa. Các bản lề chịu được hơn 1.000 chu kỳ gấp mở trước khi hỏng, cho thấy chất lượng cao của sự chuyển đổi giữa các vật liệu cứng và linh hoạt đạt được trong quá trình in.
In MM3D cũng có thể được sử dụng để tạo các đối tượng phức tạp hơn, bao gồm cả robot đã kích hoạt. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và in một robot bao gồm các chất đàn hồi cứng và mềm theo mô hình giống như sinh vật nhiều chân. Robot này có thể di chuyển với tốc độ gần nửa inch (tức 1,3cm) mỗi giây trong khi mang tải trọng gấp tám lần trọng lượng của chính nó và có thể được kết nối với các robot khác để mang tải nặng hơn.
Robot nhiều chân được in bằng máy 3D đã kích hoạt sẵn có thể di chuyển nhanh và mang trọng tải gấp tám lần trọng lượng của nó.
“In ấn 3D đang cách mạng hóa ngành công nghiệp sản xuất bằng cách cho phép mọi người sáng tạo mà không cần máy móc và nguyên liệu đắt tiền. Và bước tiến mới này hứa hẹn sẽ cải thiện đáng kể tốc độ đổi mới trong lĩnh vực thú vị này”, ông Donald Ingber - Giáo sư, Tiến sĩ Khoa Sinh học Mạch máu, Trường Y Harvard, đồng thời là bác sĩ Chương trình Sinh học Mạch máu tại Bệnh viện Trẻ em Boston, Giáo sư Kỹ thuật Sinh học tại SEAS nói.