Multimateriale 3D-utskrift

**Multimateriale 3D-utskrift** eller **flermateriale 3D-utskrift** er 3D-utskrift med flere materialer samtidig. Det kan brukes for å lage et arbeidsstykke bestående av ulike typer materialer med forskjellige egenskaper som elastisitet eller løselighet, eller for å lage avtagbar støttestruktur i et annet materiale (gjerne vannløselig). Det kan realiseres ved ulike utskriftsteknologier som filamentsmelting, stereolitografi, multijet fusjon, med flere. Ved å kunne skrive ut med forskjellige materialer har man også mulighet til å skrive ut i ulike farger for å få **fargeutskrift**. 

## Historie
En av de første multimateriale 3D-skriverne for forbrukere var Fab@Home som ble tilgjengelig i 2006.

## Teknologier for utskrift med flere materialer

### Filamentskrivere

Filamentskrivere ekstruderer en kontinuerlig linje med termoplastisk materiale for å danne en tredimensjonal modell. Det kan bruke en rekke ulike materialer, fra enklere materialer som PLA, PETG og ABS til tekniske materialer som PEEK eller fleksible materialer som TPU.

Det finnes flere tekniske løsninger for å implementere multimateriale i filamentskrivere:

* Enkeltdyse:
** **Filamentveksler**: For å bruke forskjellige materialer eller filamenter i samme dyse. Noen kjente kommersielle eksempler er Prusa sin Multi-Material Upgrade 3 (MMU3) og Bambu Lab sin Automatic Material System (AMS), mens noen alternativer med åpen kildekode er Enraged Rabbit Carrot Feeder (ERCF) og BoxTurtle for Voron Design.
* Multidyse:
** **Verktøyveksler**: Ett dedikert skrivehode (også kalt verktøyhode) per materiale eller filament, med en mekanisme for å bytte mellom flere skrivehoder. Hvert skrivehode har sin egen smelter, samt en egen ekstruder hvis det er en direktedrevet ekstruder. Kommersielle eksempler inkluderer Bambu Lab Vortek, Prusa XL og Snapmaker U1, mens alternativer med åpen kildekode inkluderer for eksempel Stealtchanger og Tapchanger.
** **Dyseveksler**: Et enkelt skrivehode kan bytte mellom forskjellige dyser, og dermed bruke samme smelter med flere materialer eller filamenter. Et kommersielt eksempel er Bondtech INDX.
* Separate bærerammer: Flere skrivehoder som kan kjøres uavhengig av hverandre, som for eksempel i form av uavhengig dobbel ekstruder (IDEX) med to skrivehoder, eller uavhengig firedobbel ekstruder (IQEX) med fire skrivehoder.
* Kombinasjoner av metodene ovenfor kan gi mulighet for enda flere kombinasjoner av filamenter, med ytterligere kompleksitet.

#### Design med én dyse
Designet med én dyse kombinerer de forskjellige materialene før eller i smeltesonen til skrivehodet slik at materialene ekstruderes gjennom samme dyse. For eksempel: De forskjellige  kan kuttes og sammenføyes til en enkelt tråd av et blandet filament før de mates inn i smeltekammeret. En slik teknikk er implementert i Mosaic Palette. Et annet eksempel er Multi-Material Upgrade fra Prusa Research, som er montert på toppen av en skriver for å legge til multimateriale i en skriver som i utgangspunktet bare skriver ett enkelt materiale. Den bruker bowden-ekstruder med en ekstra akse for å kutte og velge materialet. For å forhindre urenheter må et kombinert smeltekammer renses for det forrige materialet før et nytt kan brukes. Avhengig av implementeringen kan mengden avfallsmateriale (ofte referert til som «bæsj») som produseres under utskriftsprosessen være betydelig. I noen implementeringer kan det forrige materialet brukes som fyllstoff for å minske avfall, eller for å samtidig skrive ut et annet objekt der fargen ikke spiller noen rolle.

#### Design med flere dyser

Flerdysedesignet har en separat dyse for hvert materiale. Dysen kan enten monteres på samme skrivehode eller på uavhengige skrivehoder. For at denne tilnærmingen skal fungere må de forskjellige dysene kalibreres til nøyaktig samme høyde i forhold til skriveflaten for å unngå at den inaktive dysen forstyrrer det skrevne arbeidsstykket. Et slikt design reduserer mengden avfallsmateriale under utskriftsprosessen betydelig sammenlignet med et design med én dyse som ikke bruker det forrige materialet som fyllstoff eller til å skrive ut et annet objekt.

### Stereolitografi (SLA)
Stereolitografi er prosessen med å størkne et fotopolymer med en laser lag for lag for å danne et tredimensjonalt objekt. For å realisere flermaterialeutskrift med denne teknologien, kan man bruke flere reservoarer for forskjellige fotopolymerer. Et stort problem med denne tilnærmingen er fjerning av materiale som ikke ennå er polymerisert, siden utskriften kan inneholde hulrom fylt med det gamle materialet som bør tømmes før neste materiale kan brukes. Fotopolymer-harpikser som brukes til SLA kan ha svært forskjellige fysiske egenskaper, kan generelt være sprø og ha lavere varmeformbestandighet. Standardharpikser for SLA kommer i forskjellige farger og gjennomskinnelighet. Foruten tekniske materialer som ABS-lignende eller PP-lignende harpikser finnes det også biokompatible harpikser som brukes medisinsk eller fleksible harpikser.

### Materialsprøyting

Prosessen materialsprøyting (engelsk: *material jetting*) ligner på en 2D-blekkskriver. Skrivehodet består av flere små dyser som spruter dråper av fotopolymerer etter behov. Hver dyse kan ekstrudere forskjellige materialer, noe som muliggjør produksjon av deler med flere materialer. Materialdråpene herdes deretter umiddelbart ved hjelp av en ultrafiolett lyskilde (UV) montert på skrivehodet. I motsetning til filamentskrivere dannes ikke et lag ved å bevege skrivehodet langs en forhåndsberegnt bane, men ved å skanne laget linje for linje. Stratasys J750 er et eksempel på en skriver som kan skrive ut med «full farge». Materialer som kan brukes i materialsprøyting ligner de som brukes i SLA, og har dermed lignende egenskaper. I tillegg har det vært fremskritt innen materialsprøyting av metaller ved å suspendere nanometallpartikler i en væske. Etter fjerning av støttematerialet må det skrevne objektet sintres for å danne den ferdige metalldelen.

### Bindemiddelsprøyting
Bindemiddelsprøyting (engelsk: *binder jetting*) foregår ved at finkornet pulver smeltes sammen ved hjelp av et bindemiddel for å danne et tredimensjonalt objekt. I prinsippet har slike skrivere to separate kamre: Det ene er et reservoar for det pulveriserte materialet, mens det andre er utskriftskammeret. For å lage et lag i arbeidsstykket skyver et blad materiale ut fra reservoaret, og sprer det utover utskriftsoverflaten for å danne et tynt lag med pulver. Et skrivehode som ligner på det som finnes i en 2D-blekkskrivere påfører deretter bindemidlet på laget for å størkne og binde det til det forrige. Selv om bindemiddelsprøyting ikke tillater støtte for flere materialer finnes det skrivere som har et andre skrivehode for å påføre pigmenter på laget etter bindemidlet for å muliggjøre fargeutskrifter.

## Arbeidsflyt

### Design
Å designe et tredimensjonalt objekt er det første trinnet i arbeidsflyten for 3D-utskrift. Designprosessen kan støttes av programvare for dataassistert konstruksjon gjennom et grafisk grensesnitt. De fleste CAD-programmer støtter annotering av en geometrisk figur med et materiale. Kombinasjonen av forskjellige geometrier danner deretter et enkelt objekt med flere materialer. Imidlertid støtter ikke alle filformater annotering av materialer sammen med objektets geometri.

### Oppstykking
Oppstykking eller ''slicing'' er prosessen med å dele en 3D-modell inn i lag for å transformere dem til en sekvens av G-kode-instruksjoner. Disse instruksjonene kan behandles av en 3D-skriver for å produsere den tilsvarende modellen enten nedenfra eller ovenfra, eller til og med fra venstre mot høyre. Før instruksjonene genereres kan støttestrukturer legges til for å koble overhengende deler av modellen til enten utskriftsflaten eller andre deler av modellen. Støttestrukturene må fjernes i et etterbehandlingen etter at utskriften er ferdig.

Oppstykkingsprosessen for flermaterialeutskrifter varierer avhengig av maskinvaren som brukes. For filamentskrivere må instruksjoner for materialbytte legges til. Dette fører til flere beregningsmessige utfordringer, som for eksempel å håndtere to skrivehoder samtidig uten at de forstyrrer hverandre, eller å tømme smeltekammeret for det forrige materialet. For flermateriale-utskrift med stereolitografi-skrivere  må oppstykker-programvaren håndtere de ekstra frihetsgradene som oppstår på grunn av muligheten for å flytte utskriften fra ett harpiksbrett.  til det neste. Oppstykker-prosedyren for materialsprøyte-skrivere innebærer generering av flere bitmap-bilder som representerer objektets voxler.

### Etterbehandling
3D-skrevne arbeidsstykker må kanskje etterbehandles før de kan brukes som prototype eller ferdig produkt. Etterbehandlingstrinn kan omfatte sliping av overflaten på objektet for å gjøre den glattere eller ruere, eller maling. Avhengig av utskriftsmetoden og objektets geometri kan det hende støttestrukturer må fjernes. Bruk av 3D-utskrift med flere materialer kan redusere mengden etterbehandling som trengs for et arbeidsstykke som skal farges, ettersom farger kan skrives ut direkte. Videre er det mulig å bruke vannløselige materialer for å skrive støttestrukturene, hvilket kan forenkle fjerningen ved at arbeidsstykket bare behøver å plasseres i et vannbad.

## Bruksområder

### 3D-utskrift av mat
Multimateriale er nyttig i 3D-utskrift av mat for å dosere ulike tilpasninger av form, farge, smak, tekstur og næringsinnhold i ulike måltider. For eksempel kan man skrive ut ingredienser som peanøttsmør, gelé eller deig, som er viktig elementer for å lage mange matvarer.

### Medisin
I produksjon av proteser brukes ofte 3D-utskrift av flere materialer. For eksempel kan myk TPU brukes på kontaktpunktene med kroppen, og stivt karbonfiber-armert materiale brukes der det trengs styrke. 3D-utskrift gir mulighet for å justeres protesene for å passe til ulike behov og ønsker hos individer.

Et annet medisinsk bruksområde er generering av kunstige vevsstrukturer. Det forskes på å lage vev som etterligner menneskelig vev med tanke på følelse, elastisitet og struktur. Slikt kunstige vev kan brukes av kirurger for å trene seg på realistiske modeller, hvilket ellers er vanskelig eller dyrt å oppnå.

### Fysiske egenskaper
Evne til å veksle mellom forskjellige materialer gir bedre kapabiliteter for å kontrollere de fysiske egenskapene til et 3D-skrevet objekt. Styrken kan manipuleres gjennom mikrostrukturer, og man kan veksle mellom hardere eller mykere materialer for å påvirke objektets stivhet. Kombinasjon av harde og myke materialer brukes også til å lage biomimetiske strukturer med ønskede egenskaper. Ulik farge eller elastisitet kan påvirke utseendet og haptikken til arbeidsstykket. I tillegg er det mulig å redusere mengden etterbehandling som trengs ved å velge et passende materiale for støttestrukturene eller det ytre skroget til delen.

### Rask prototyping
3D-utskrift med flere materialer kan la designere raskere produsere og teste prototyper på grunn av redusert etterbehandling og at de ulike materialene kan oppfylle forskjellige funksjoner i prototypen. Dette kan være nyttig i for eksempel i bildesign, hvor det er nødvendig å raskt teste og verifisere en prototype for å få designet godkjent for produksjon. Sammenlignet med tradisjonelle metoder som fresing eller støping kan 3D-utskrift også redusere antal deler fordi det ikke lenger er nødvendig å montere flere deler med forskjellige materialer.

## Filformater
Det finnes flere filformater for å representere tredimensjonale objekter og som er egnet for 3D-utskrift. Likevel støtter ikke alle definisjon av forskjellige materialer i samme fil som geometrien. Tabellen under viser de vanligste filformatene og deres muligheter for multimateriale-utskrift:

## Se også
* 3D-skriverfilament, termoplastisk råmateriale for filament-3D-skrivere

## Referanser