octobre 4, 2022

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Combiner solides et liquides pourrait conduire à des innovations 3D plus rapides et plus flexibles

Imaginez un avenir où vous pourrez imprimer en 3D un robot entier ou un dispositif médical électronique extensible d’une simple pression sur un bouton – sans passer des heures ennuyeuses à assembler des pièces à la main.

Cette possibilité est peut-être plus proche que jamais grâce aux récentes avancées de la technologie d’impression 3D dirigées par des ingénieurs de l’Université du Colorado à Boulder. Dans une nouvelle étude, l’équipe élabore une stratégie pour utiliser les imprimantes actuellement disponibles pour créer des matériaux qui combinent des composants solides et liquides – un exploit délicat si vous ne voulez pas que votre robot tombe en panne.

« Je crois qu’il y a un avenir dans lequel nous pouvons, par exemple, fabriquer un système entier comme un robot en utilisant ce processus », a déclaré Robert McCordy, auteur principal de l’étude et professeur adjoint au département de génie mécanique Paul M. Rady.

McCordy, ainsi que les doctorants Brandon Hayes et Travis Heinsworth, ont publié leurs résultats le 14 avril dans la revue. la fabrication additive.

Les imprimantes 3D sont depuis longtemps la spécialité des amateurs et des chercheurs en laboratoire. Ils sont très doués pour fabriquer des dinosaures en plastique ou des pièces individuelles de machines, telles que des engrenages ou des articulations. Mais MacCurdy pense qu’ils peuvent faire beaucoup plus : en mélangeant des solides et des liquides, les imprimantes 3D peuvent produire des appareils plus flexibles, dynamiques et peut-être même plus utiles. Ils comprennent des appareils électroniques portables avec des fils constitués de liquide à l’intérieur de substrats solides, ou même des modèles qui imitent de véritables éponges d’organes humains.

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L’ingénieur compare les progrès aux imprimantes traditionnelles qui impriment en couleur, pas seulement en noir et blanc.

« Les imprimantes couleur combinent un petit nombre de couleurs primaires pour créer un riche ensemble d’images », a déclaré MaCurdy. « Il en va de même pour les matériaux. Si vous avez une imprimante qui peut utiliser plusieurs types de matériaux, vous pouvez les combiner de nouvelles façons et créer une gamme beaucoup plus large de propriétés mécaniques. »

Espace libre

Pour comprendre ces caractéristiques, il est utile de comparer les imprimantes 3D aux imprimantes ordinaires de votre bureau. Les imprimantes papier créent une image en appliquant des encres liquides avec des milliers de pixels plats. En revanche, les imprimantes 3D à jet d’encre utilisent une tête d’impression pour déposer de minuscules granules de liquide, appelés « voxels » (une combinaison de « volume » et « pixel »), les uns sur les autres.

« Peu de temps après le dépôt de ces gouttelettes, elles sont exposées à une lumière ultraviolette brillante », a déclaré McCordy. « Les liquides traitables se transforment en solides en une seconde ou moins. »

Mais, a-t-il ajouté, il existe de nombreux cas dans lesquels vous voudrez peut-être que ces liquides restent liquides. Certains ingénieurs, par exemple, utilisent des liquides ou de la cire pour créer de minuscules canaux à l’intérieur de leurs solides, qu’ils vident ensuite. C’est un peu similaire à la façon dont les gouttelettes d’eau peuvent s’égoutter d’une grotte souterraine.

Les ingénieurs ont trouvé des moyens de créer ces types d’espaces vierges dans des pièces imprimées en 3D, mais il faut généralement beaucoup de temps et d’efforts pour les nettoyer. Les canaux doivent rester relativement simples.

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MacCurdy et ses collègues ont décidé de trouver un moyen de contourner ces limitations – une meilleure compréhension des conditions qui permettraient aux ingénieurs d’imprimer des solides et des liquides en même temps.

courage fluide

Les chercheurs ont initialement conçu une série de simulations informatiques qui testaient la physique de l’impression de différents types de matériaux les uns à côté des autres. Un gros problème, a déclaré McCordy, est le suivant : comment empêcher les gouttelettes de solides de se mélanger aux liquides, même lorsque les gouttelettes du solide sont imprimées directement sur les gouttelettes de liquide ?

« Nous avons découvert que la tension superficielle d’un liquide peut être utilisée pour supporter un solide, mais il est utile de choisir un matériau liquide plus dense que le solide – la même physique qui permet au pétrole de flotter au-dessus de l’eau », a déclaré Hayes. mentionné.

Ensuite, les chercheurs ont expérimenté une véritable imprimante 3D en laboratoire. Ils ont chargé l’imprimante avec un polymère transformable ou du plastique (le solide) et une solution de nettoyage standard (le liquide). Leurs créations étaient impressionnantes : le groupe était capable d’imprimer en 3D des anneaux de liquide torsadés et un réseau complexe de canaux ressemblant à des voies de ramification dans le poumon humain.

« Il était presque impossible de faire fonctionner les deux structures avec les méthodes précédentes », a déclaré Hensworth.

MacCurdy a récemment rejoint une équipe de chercheurs de CU Boulder et CU Anschutz Medical Campus qui développent des moyens d’imprimer des modèles 3D réalistes de tissus humains. Les médecins peuvent utiliser ces modèles pour pratiquer des procédures et établir des diagnostics. Le projet utilisera l’approche liquide-solide de MacCurdy parmi d’autres outils.

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« Nous espérons que nos résultats rendront l’impression jet d’encre 3D multimatériaux utilisant des liquides et des solides plus accessible aux chercheurs et aux passionnés du monde entier », a-t-il déclaré.