3D-Print Tilgængelighed Forbedres med Nye To-Laser Teknikker, der Skal Sænke Omkostningerne

En gruppe innovative forskere opdagede en måde at reducere 3D-printomkostninger og forbedre ydeevnen via en ny to-laser udskrivningsmetode. Purdue University-teamet offentliggjorde en detaljeret undersøgelse af deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Optics Express. Undersøgelsen dykker ned i detaljerne omkring en avanceret dual-farve laser additiv fremstillingsteknik, der forbedrer den nuværende to-foton polymeriseringsmodel. Her er alt, hvad du behøver at vide.

Dagens Additive Fremstilling Processer

De første 3D-printere brugte en metode kaldet materialekstrudering. En opvarmet dyse havde en lang spole af termoplastisk filament, der blev ført igennem den. Filamentet blev varmet, indtil det blev formbart, og derefter påført i lag for at danne den ønskede form. Denne 3D-printerstil er i dag den mest overkommelige og mest udbredte mulighed.

Materialekstrudering

Pulverbeds-3D-printere bruges til at fremstille metal- og keramiske genstande. Denne 3D-printmetode integrerer en opvarmet seng og en inkjet-printer, der sprøjter et bindemiddel. Dette materiale skaber genstanden lag for lag og er i stand til indviklede 3D-designs. Nyere udviklinger inden for denne tilgang har gjort det muligt at printe flere materialer og endda elektronik.

Pulverbeds

Smeltet deponering bruger et termoplastisk filament, der deponeres ved hjælp af materialekstruderingsmetoder. Derfra anvendes lasere til at forme og låse genstandens form på plads med stor præcision. Det er bemærkelsesværdigt, at brugen af lasere i den additive fremstillingssektor er almindelig, med den første anvendelse af stereolitografi (SLA) i 1984.

Smeltet Deponering

I dag er en to-foton polymerisationsmetode (TPP) den mest anvendte til mikron-skala industrielle udskrifter. Metoden bygger på to femtosekundlasere, der kan forme, hærde og størkne specialbyggede kompositter. Den giver høj nøjagtighed og er en dokumenteret metode til at skabe mikrostrukturer og andre små detaljerede enheder, som ville være umulige at fremstille med andre metoder.

To-foton Polymerisation (TPP)

Problemer med denne Tilgang
Flere problemer med TPP-metoden fik forskere til at undersøge alternativer. For det første er femtosekundlasere meget dyre, følsomme og kræver høj præcision. Den mindste ændring kan gøre, at disse enheder kræver omfattende vedligeholdelse.

Forskere

Da de anerkendte disse ineffektiviteter i opsætningen, har forskere ledet af Purdue University-ingeniør Xianfan Xu sammensat en ny lagdelt tilgang, der lover at reducere omkostningerne. For at gennemføre opgaven måtte teamet overvinde en række forhindringer, fra laserinterferens til tuning. Sådan formåede de at overvinde oddsene og skabe en helt ny fremstillingsproces, der har potentiale til at ryste markedet.

To-Laser Studie

Undersøgelsen “Two-color 3D printing for reduction in femtosecond laser printing power” undersøger brugen af en lavere effektlaser til at håndtere nogle af de opgaver, der tidligere krævede to femtosekund-enheder. For at gennemføre dette oprettede teamet et specialbygget to-foton litografi-setup. Denne opsætning inkluderer en sekundær laserbane til udskrivningsplanet, hvilket gør det muligt for forskerne at indsamle værdifulde realtidsdata om laserens virkninger.

Trin 1 – Forbered Materialet

Det første skridt forskerne tog, var at føre materialet gennem en fotokemisk proces. Denne proces hjælper med at sænke inhibitionsarterne i materialet, så det bliver mere formbart for de lasere, der bruges til formnings- og hærdningsprocessen. Som følge heraf gjorde dette ekstra skridt det muligt for forskerne at eliminere brugen af to femtosekundlasere.

Lavpris Laser

Den nye proces gjorde det muligt for forskerne at udnytte en mindre dyr mulighed for de første laserinteraktioner. Teamet eliminerede en femtosekund-enhed og erstattede den med en synlig lysmulighed, der arbejdede i samarbejde med den højtydende enhed. Denne lavprislaser blev indstillet til at supplere femtosekundlaseren uden at tilføje interferens.

Femtosekund Laser

Den femtosekundlaser, der blev valgt til testen, var en 532 nm nanosekund (ns) pulserende fiberlaser fra MPB Communications Inc. Enheden giver høj tunbarhed, så teamet kunne prøve forskellige gentagelsesrater. Teamet besluttede sig til sidst for en gentagelsesrate på 80 MHz med en pulsbredde på 1,2 ns.

To-Laser Spejle

Pulserne blev yderligere koncentreret via en Nikon NA = 1,49 100X olieimmersion objektivlinse. Denne tilgang integrerede stærkt dispersive ultrahurtige spejle fra Edmund Optics som en måde at starte prækompensationsdispersion på. Derudover blev en helium-neon (HeNe) laser brugt for at sikre nøjagtighed. Specifikt sikrede denne stråle, at laserbanen var gentagelig.

En Balancering med To-Laser

Den præcision, der var nødvendig for at skabe denne nye fremstillingsproces, krævede at ingeniører udviklede en ny matematisk model. Denne model gjorde det muligt at kortlægge fotopolymerisationsreaktioner på tværs af tilstande. Tidligere blev separate modeller brugt til at beregne den exciterede tilstand og efterfølgende polymerisationskinetik for laserens.
Den opdaterede model gjorde det muligt for forskerne at måle den samlede effekt af to-foton- og enkelt-foton excitationsprocesser i realtid. Denne evne tillod teamet at bestemme de laveste energiforbrugskrav for femtosekundlaseren for at udføre sine opgaver uden at miste ydeevne.

To-Laser Testning

Forskerne gik derefter i gang med at teste deres opfindelse på flere designs. Disse forskellige 2D- og 3D-strukturer blev valgt på grund af deres kompleksitet og størrelse. Teamet ønskede at sikre, at deres enhed kunne fremstilles i mikronskala. Som følge heraf var de første genstande, de printer, detaljerede træstakke, der målte 25 × 25 × 10 μm.

Teamet stoppede ikke ved træstakkene. De printer også en mikroskopisk buckyball, en chirale struktur og en trefoil-knude. Disse former blev valgt, fordi de gjorde det muligt for teamet at demonstrere flere aspekter af deres forskning. Her er, hvad testresultaterne siger om deres indsats.

Resultater

Testresultaterne viste en betydelig forbedring i enheden. Enheden var i stand til at printe alle enheder ved at bruge 50 % mindre energi. Energireduktionen blev opnået på flere måder. Først reducerede forskerne femtosekundlaserne fra en 800 nm enhed til en 530 nm laser. Denne ændring tilføjede effektivitet uden at gå på kompromis med ydeevnen ved brug af den nye metode.
Derudover var den nye proces i stand til at producere lignende resultater som industristandarden ved at bruge mindre materiale og tid. Specifikt reducerede enkelt-foton absorption fra en synlig bølgelængde laser inhibitionskoncentrationen, mens den leverede sammenlignelige resultater.

Nem Integration

En af de største fordele ved denne undersøgelse er, at den nye metode nemt kan integreres i nuværende metoder med minimale omkostninger. Denne tilgang vil hjælpe med at reducere omkostninger ved at fjerne behovet for, at producenter skal købe nye enheder. I stedet kan deres nuværende opsætninger eftermonteres til at bruge den nye lavprismetode.

To-Laser Anvendelser

Der er flere umiddelbare anvendelser for denne teknologi. Additiv fremstilling er mere populær end nogensinde, og enhver måde at reducere omkostninger og forbedre ydeevnen på vil helt sikkert modtage støtte fra sektoren. Her er nogle få andre anvendelser for denne teknologi.

Mikroelektronik/Robotik

Den miniature skala, som disse enheder kan printe i, gør dem ideelle til brug i mikroelektronik og robotik. Disse enheder er notorisk svære at bygge og er blevet en vital del af mange industrier. Som følge heraf vil denne nye fremstillingsproces gøre det lettere at skabe og prototype nye strukturer til brug i disse enheder.

Biomedic

Sundhedssektoren er et andet område, hvor disse mikrostrukturer og enheder anvendes. Små scaffolder og strukturer bruges nu til at konstruere væv og andre bio-robotiske enheder. Disse enheder hjælper folk med at komme sig hurtigere efter skader og nyde en forbedret livskvalitet.

Virksomheder, der kunne drage fordel af denne forskning i dag

Mange forskellige virksomheder kan drage fordel af denne forskning i de kommende år. Fra biomedic til militær og industriel brug kan mikro-additiv fremstillingssystemer opleve forbedret ydeevne ved brug af den nye flerfarvede laserudskrivningsmetode. Her er nogle få virksomheder, der kan integrere denne teknologi med det samme og se resultater.

1. Medtronic

MDT Prisdiagram

Den amerikanske Medtronic er en global leder inden for medicinsk udstyr. Producenten blev grundlagt i 1949 som en medicinsk reparationsfacilitet. I dag har virksomheden flere patenter inden for medicinsk teknologi og er et af de mest anerkendte navne i branchen.

Medtronic var en pioner inden for pacemakerindustrien og var en af de første til at patentere en implanterbar enhed. Siden da har den forblevet en dominerende kraft på markedet og fortsætter med at introducere ny teknologi for at forbedre patienternes liv. Integration af en to-farve laserudskrivningsmetode ville forbedre deres tilbud betydeligt ved at gøre det muligt at reducere størrelsen på deres enheder.

Medtronic er en af de mest succesfulde medicinske udstyrsproducenter i verden. I 2024 sikrede virksomheden $32 mia i omsætning. I dag gør dens fortsatte innovationer og positionering den til et ideelt supplement til enhver portefølje.

2. Abbott Laboratories

ABT Prisdiagram

Abbott Laboratories (ABT ) har eksisteret siden 1888. Den blev grundlagt i Illinois og voksede hurtigt til at blive et af de mest genkendelige navne i branchen. Abbott Laboratories tilbyder et udvalg af produkter, herunder lægemidler, medicinsk udstyr, kosttilskud og ernæringstilskud.

Abbott Laboratories har produkter, der spænder over flere sektorer i den medicinske industri. Specifikt er de anerkendt for deres kardiovaskulære, diagnostiske, diabetes- og neuromodulationsprodukter. Derudover driver de nogle meget populære datterselskaber, herunder Pedialyte og Similac, som er førende producenter af babymælk.

Aktiepræstationen har fortsat været stigende for Abbott Laboratories. Virksomhedens kombination af medicinsk udstyr og ernæringstilbud gør den til en stærk “hold” for enhver investor. Fremtiden ser lys ud for denne virksomhed, som nu spiller en central rolle i at levere hjerte-sundhedsudstyr globalt.

Fremtid

Få industrier har oplevet så meget innovation som additive fremstillingsmarkedet. Denne seneste udvikling vil hjælpe med at drive brugen af disse enheder i miniature-robotik og elektroniske enheder såsom wearables. I fremtiden vil mikrowearables og implanterbare medicinske enheder få en mere central rolle i branchen. Her er nogle andre nylige 3D-print fremskridt, der kan hjælpe med at fremme adoption.

Rummprintere

Der har været nylige udviklinger inden for rummetprintsektoren. Disse enheder adskiller sig fra deres jordbaserede modparter, da de skal kunne printe lag uden tyngdekraftens hjælp. Denne opgave er ikke let at udføre, da alle nuværende metoder kræver en lagdelingsmetode.
Forskerne var i stand til at overvinde disse problemer ved hjælp af indviklet matematik og ved at indkapsle enheden. Indkapslingen tjener flere formål, herunder at beskytte astronauterne mod dødelige dampe eller andre uheld, der kunne bringe den yderst følsomme atmosfære i et rumfartøj i fare.

AI Printere

AI 3D-printere bliver mere almindelige. Integration af avancerede AI-algoritmer har en gennemgribende effekt på næsten alle teknologibranchen. I fremtiden vil du kunne anmode om 3D-udskrifter blot via chat eller stemme.
AI fortsætter med at give en strømlinet måde for folk at overvinde tekniske barrierer på. Som sådan betragtes den af mange som en af de vigtigste udviklinger på markedet. I fremtiden vil AI 3D-printstationer og andre tjenester blive almindelige. For nu fortsætter denne teknologi med at forenkle interaktioner og fjerne tekniske forhindringer for nye brugere.

Selvreparerende Robotter

Et andet sci-fi scenarie, der er blevet til virkelighed, er selvreparerende robotter. Det tog ikke lang tid for forskerne at skabe en 3D-printer, der kunne printe alle de dele, den havde brug for at fungere. Nu skal det samme koncept anvendes på robotteknologi. Selvreparerende og selvhelbredende robotter vil hjælpe samfundet med at fungere i fremtiden ved at påtage sig hårde opgaver og job, som den gennemsnitlige person ikke ville kunne håndtere.

To-Farve Laserudskrivning er en Stor Opgradering

Det arbejde, som disse forskere har udført, vil få en gennemgribende effekt på 3D-printindustrien fremover. Du kan forvente at se flere mikro-robotter og elektroniske enheder, der udnytter denne metode som et middel til at reducere omkostninger og forbedre resultater. Som sådan har dette team lagt grundlaget for en ny æra inden for mikro-additiv fremstilling.

Lær om andre seje additive fremstillings projekter nu.