Ultrahurtig 3D-printer virker som omvendt scanner

Ny 3D-printer kombinerer principperne fra en CT-scanner og lysmodellering af materialer til at skabe objekter med unikke egenskaber på rekordtid.

Forestil dig en Albert Einstein-figur med bløde kinder, hård pande og en fysisk gengivelse af vidunderhjernen, der dukker op ud af en flydende plastikmasse øjeblikket efter, du har trykket print på computeren. Eller endnu vildere; et kunstigt hjerte med samme hårdhed som et virkeligt. Det er nogle af de muligheder, som forskere på DTU arbejder på at gøre til virkelighed med en ny 3D-printer baseret på lys. 

Ifølge projektets forskningsleder, adjunkt Yi Yang på DTU Kemi, udnytter maskinen principperne fra en CT-scanner, bare omvendt.

”Vores printer bygger et fysisk objekt ud fra skæringspunkterne fra tomografiske billeder. Teknologien gør os i stand til at bygge 3D-objekter med forskellige indlejrede egenskaber – fx at variere hårdheden i printet” siger Yi Yang.

En CT-scanner skaber et tredimensionelt billede af fx en hjerne ved at reorganisere information fra en stor mængde to-dimensionelle billeder dannet af røntgenstråler, der roterer om en patients hoved og afslører forskellige vævstyper. Den nye 3D-printer vil derimod opbygge fysiske objekter ved at lade lysstråler ramme en roterende masse og forme den efter et tredimensionelt billede opbygget af skæringpunkter mellem to-dimensionelle billeder.

De første resultater fra det multidiciplinære forskningsprojekt er for nylig blevet publiceret i Nature Communications. Forinden modtog Yi Yang en Villum Experiment bevilling på 2 millioner kroner, hvilket finansierer en postdoc og teknisk administrativ medarbejder til projektet.

Printer i tre plan

Selvom nuværende 3D-printere fremstiller objekter i 3D, foregår selve printet kun i lavere dimensioner. Materialet, fx plastik, smøres ud, lag på lag, og printer objekter nedefra og op på en printerplade. Den nye 3D-printer vil derimod printe i tre plan, forklarer adjunkt Yi Yang:

”Vi vil bruge et princip kaldet ”Tomographic Vat Photopolymerization” (TVP), som betyder, at vi kan printe alle punkter i tre plan simultant. Man skal forestille sig en boks indeholdende en flydende polymer – en slags plastikprinterblæk. Ved at udsætte plastikblækket for lys i bestemte bølgelængder, bestemt af et 3D-billede og bygget op som en CT-scanning, bliver blækket til fast materiale i den ønskede form.”

Kan justere hårdheden undervejs

Sammen med lektor Aminul Islam og professor Kristoffer Almdal fra DTU Kemi er Yi Yang ved at justere apparaturet til optimalt at udnytte en nyudviklet, lysfølsom plasttype. Det er vigtigt for at kunne udnytte en af de store fordele ved teknikken med lysafhængigt 3D-print.

”Vi kan variere blødheden i vores 3D-objekt baseret på en computermodel ved at kontrollere bølgelængderne afgivet fra lyskilden,” siger forskeren. 

Foreløbig er det lykkedes at printe en række forskellige komplekse geometrier med indbyggede materialevariationer.

Yi Yang forklarer, at printerens potentielle anvendelse rækker vidt inden for den kommercielle produktion. Men de unikke muligheder for hurtigt at variere printets hårdhed og form betyder også, at teknologien rummer et stort potentiale inden for fremstillingen af vaskulære systemer i kunstige organer og væv til patienter.

”Detaljegraden og fleksibiliteten i vores 3D-print bliver forhåbentlig så vidtrækkende, at teknikken kan bruges til at fremstille vaskulære konstruktioner, der kan transportere næringsstoffer og blod, ved at bruge biopolymerer som ’blæk’. Teknologien vil muligvis gøre os i stand til at replicere blødheden og den unikke opbygning af blodkar, kapillærer og muskler. Der er et stykke derhen, men denne printer kan forhåbentlig bringe os et stort skidt nærmere,” siger Yi Yang.

Hidtil uset hurtighed

Mens nogle af de potentielle fordele ved printeren ligger år ude i fremtiden, har den allerede nu funktioner, der kan revolutionere brugen af 3D-print.

Normalt afhænger hastigheden af 3D-printet af figurens kompleksitet og antallet af voxels. Voxels er en slags pixels, som vi kender fra billeder og kan beskrives som alle de små punkter, der tilsammen danner et billede – eller i tilfældet med voxels en tredimensionel figur.

Men fordi den nye 3D-printer bruger et omvendt CT-billede som skabelon og den modellerer plastmaterialet med lys i stedet for at printe punkt for punkt, kan objekter fremstilles næsten øjeblikkeligt.

”I princippet giver teknikken mulighed for at sende en CT-scanning et objekt og trykke print. Øjeblikket efter vil der stå der en kopi med en virkelighedstro blødhed”, siger Yi Yang.