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.

Kilde – Optica