3D printing has revolutionized the fields of healthcare, biomedical engineering, manufacturing and art design

Successful applications have come, despite the fact that most 3D printing techniques can only produce parts made of one material at a time. More complex applications could be developed if 3D printers could use different materials and create multi-material parts. New research uses different wavelengths of light to achieve this complexity. Scientists at the University of Wisconsin-Madison developed a novel 3D printer that uses patterns of visible and ultraviolet light to dictate which of two monomers are polymerized to form a solid material. Different patterns of light provide the spatial control necessary to yield multi-material parts. The work was published Feb. 15 in the journal Nature Communications. "As amazing as 3D printing is, in many cases it only offers one color with which to paint," says UW-Madison Professor of Chemistry A.J. Boydston, who led the recent work with his graduate student Johanna Schwartz. "The field needs a full color palette." Boydston and Schwartz knew that improved printing materials required a chemical approach to complement engineering advances. "This is a shift in how we think about 3D printing with multiple types of materials in one object," Boydston says. "This is more of a bottom-up chemist's approach, from molecules to networks." 3D printing is the process of making solid three-dimensional objects from a digital file by successively adding thin layers of material on top of previous layers. Most multi-material 3D printing methods use separate reservoirs of materials to get different materials in the right positions. But Boydston realized that a one-vat, multiple-component approach -- similar to a chemist's one-pot approach when synthesizing molecules -- would be more practical than multiple reservoirs with different materials. This approach is based on the ability of different wavelengths of light to control which starting materials
polymerize into different sections of the solid product. Those starting materials start as simple chemicals, known as monomers, that polymerize together into a longer string of chemicals, like how plastic is made. "If you can design an item in PowerPoint with different colors, then we can print it with different compositions based on those colors," Schwartz says. Researchers create multiple digital images that, when stacked, produce a three-dimensional design. The images control whether ultraviolet or visible light is used to polymerize the starting materials, which controls the final material and its properties, like stiffness. The researchers simultaneously direct light from two projectors toward a vat of liquid starting materials, where layers are built oneby-one on a platform. After one layer is built, the build platform moves up, and light helps build the next layer. The major hurdle Boydston and Schwartz faced was optimizing the chemistry of the starting materials. They first considered how the two monomers would behave together in one vat. They also had to ensure that the monomers had similar curing times so that the hard and soft materials within each layer finished drying at approximately the same time. With the right chemistry in place, Boydston and Schwartz could now dictate exactly where each monomer cured within the printed object by using ultraviolet or visible light. "At this stage, we've only accomplished putting hard materials next to soft materials in one step," Boydston says. "There are many imperfections, but these are exciting new challenges." Now, Boydston wants to address these imperfections and answer open questions, such as what other monomer combinations can be used and whether different wavelengths of light can be used to cure these new materials. Boydston also hopes to assemble an interdisciplinary team that can increase the impact of wavelength-controlled, multi-material 3D printing. The researchers' novel approach to multi-material 3D printing could enable designers, artists, engineers and scientists to create significantly more complex
systems with 3D printing. Applications could include the creation of personalized medical devices, such as prostheses, or the development of simulated organs and tissues. Medical students could use these synthetic organs for training instead of, or before working with, live patients. Using chemical methods to eliminate an engineering bottleneck is exactly what the 3D printing industry needs to move forward, says Schwartz. "It is this interface of chemistry and engineering that will propel the field to new heights," Schwartz says.

3D-печать кардинально изменила сферы здравоохранения, биомедицинской инженерии, промышленного производства и художественного дизайна

Несмотря на то, что большинство 3D-печатных технологий могут создавать детали за раз только из одного материала, появились успешные применения. Если бы 3D-принтеры могли использовать различные материалы и создавать части мультиматериала, то появились бы более сложные применения. Новые исследования используют различные длины световых волн для осуществления этих сложных применений. Ученые из Университета Висконсин-Мадисон разработали новый 3D-принтер, который использует узоры видимого и ультрафиолетового света, чтобы определить, какой из двух мономеров полимеризуется с образованием твердого материала. Различные световые узоры обеспечивают пространственный контроль, необходимый для того, чтобы создать части мультиматериала. Работа была опубликована 15 февраля в журнале Nature Communications. "Так же удивительно, что технология 3D-печати во многих случаях предлагает только один цвет для рисования", — говорит профессор химии UWM Э.Дж. Бойдстон, который руководил недавней работой со своей
аспиранткой Йоханной Шварц, — "В этой области нужна новая цветовая палитра." Бойдстон и Шварц знали, что усовершенствованные печатные материалы требуют химического подхода в дополнение к инженерным достижениям. “В том, что мы думаем о 3D-печати с многочисленными типами материалов в одном объекте, есть сдвиг”, — говорит Бойдстон. “Это больше, чем “перевернутый подход” химика, от молекул до сетевых структур. 3D печать — это процесс изготовления твердых трехмерных объектов из цифрового файла путем последовательного добавления тонких слоев материала поверх предыдущих. Большинство методов 3D-печати с мультиматериалом используют отдельные резервуары для получения различных материалов в правильных положениях. Но Бойдстон понимал, что однокубовый, многокомпонентный подход — подобный синтезу молекул в химии — будет более практичным, чем использование нескольких резервуаров с разными материалами. Этот подход основан на способности различных длин световых волн контролировать, какие исходные материалы полимеризуются в разные участки твердого изделия. Эти исходные материалы начинаются как простые химические вещества, известные как мономеры, которые вместе полимеризуются в более длинную цепочку химических веществ, такую же как у пластика. "Если вы можете создать элемент в PowerPoint с разными цветами, то мы можем распечатать его с разными композициями на основе этих цветов", — говорит Шварц. Исследователи создают несколько цифровых изображений, которые при складывании создают трехмерный дизайн. При создании конечных изображений определяется процесс того, используется ли ультрафиолетовый или обычный свет для полимеризации исходных материалов, который также определяет свойства конечного материала
такие как, например, твердость. Исследователи одновременно направляют свет от двух проекторов на куб с жидкими исходными материалами, где слои строятся один за другим на платформе. После того, как один слой создан, платформа строения двигается вверх, и свет помогает создать следующий слой. Основным препятствием, с которым столкнулись Бойдстон и Шварц, была оптимизация химии исходных материалов. Сначала они рассмотрели, как два мономера будут вести себя вместе в одном кубе. Они также должны были убедиться в том, чтобы мономеры имели одинаковое время затвердевания — с тем, чтобы твердые и мягкие материалы в каждом слое засохли примерно в одно и то же время. При правильной химии Бойдстон и Шварц теперь могли точно определять, где каждый мономер затвердевает внутри печатного объекта с помощью ультрафиолетового или видимого света. "На этом этапе мы только добились того, чтобы поместить твердые материалы рядом с мягкими за один ход", — говорит Бойдстон. "Есть много недостатков, но это уже новые трудности." Теперь Бойдстон хочет рассмотреть эти недостатки и ответить на открытые вопросы. Например, какие другие комбинации мономеров могут быть использованы, и могут ли различные длины волн света использоваться для твердения этих новых материалов. Бойдстон также надеется собрать междисциплинарную группу, которая может повысить результативность 3D-печати, использующей контроль длины волн и мультиматериал. Новый подход исследователей к мультиматериальной 3D-печати может позволить дизайнерам, художникам, инженерам и ученым создавать значительно более сложные системы. Применения данной технологии могли бы затронуть создание таких персонализированных медицинских устройств, как протезы, или создание искусственных органов и тканей. Студенты-медики
могли бы использовать для обучения эти синтетические органы вместо или до работы с живыми пациентами. “Использование химических методов для устранения слабого места в проектировании — это именно то, что нужно для продвижения 3D-печати,” — говорит Шварц. "Именно это взаимодействие химии и инженерии будет продвигать данную сферу деятельности к новым высотам", — говорит Шварц.

Глоссарий 1. 3D-printing — 3D-печать (построение реального объекта по созданному на компьютере образцу 3D модели. Затем цифровая трёхмерная модель сохраняется в формате STL-файла, после чего 3D принтер, на который выводится файл для печати, формирует реальное изделие) 2. Biomedical engineering — биомед.инженерия (разработка и применение технических устройств для биологических и медицинских исследований) 3. Applications — аппликации (способ получения изображения; техника декоративно-прикладного искусства) 4. Multi-material — мультиматериал (материал, полученный в 3D-печати с помощью наложения на один объект нескольких материалов) 5. Ultraviolet light — ультрафиолетовый свет 6. Monomers — мономеры (низкомолекулярные вещества, образующие полимеры в реакции полимеризации) 7. To polymerize — полимезировать (процесс создания полимеров) 8. A bottom-up approach — подход “снизу вверх” (Идея технологии «снизу-вверх» заключается в том, что сборка создаваемой «конструкции» осуществляется непосредственно из элементов «низшего порядка» (атомов, молекул, структурных фрагментов биологических клеток и т.п.), располагаемых в требуемом порядке) 9. Stiffness — твердость 10. Bottleneck — слабое место