Η Προσβασιμότητα στην 3D Εκτύπωση Βελτιώνεται με Νέες Διπλές-Λέιζερ Τεχνικές που Προβλέπουν Μείωση Κόστους

Μια ομάδα καινοτόμων ερευνητών ανακάλυψε έναν τρόπο μείωσης του κόστους της 3D εκτύπωσης και βελτίωσης της απόδοσης μέσω μιας νέας μεθόδου εκτύπωσης με δύο λέιζερ. Η ομάδα του Πανεπιστημίου Purdue δημοσίευσε μια λεπτομερή μελέτη των ευρημάτων της στο επιστημονικό περιοδικό Optics Express. Η μελέτη εμβαθύνει στις λεπτομέρειες μιας προηγμένης τεχνικής προσθετικής κατασκευής με διπλό χρώμα λέιζερ που ενισχύει το τρέχον μοντέλο πολυμερισμού δύο φωτονίων. Εδώ είναι όλα όσα χρειάζεστε να γνωρίζετε.

Σύγχρονες Διαδικασίες Προσθετικής Κατασκευής

Για να κατανοήσετε πλήρως τη σημασία αυτής της μελέτης, είναι σοφό να ρίξετε μια γρήγορη ματιά στην εξέλιξη της διαδικασίας προσθετικής κατασκευής. Η έννοια της 3D εκτύπωσης έχει αποτελέσει ένα συναρπαστικό ταξίδι που μερικές φορές μοιάζει με επιστημονική φαντασία. Αυτές οι συσκευές έχουν περάσει από τα κόμικς σε μία από τις πιο δημοφιλείς, και συχνά τη μοναδική, μέθοδο δημιουργίας ορισμένων συσκευών.

Εξώθηση Υλικού

Οι πρώτοι 3D εκτυπωτές χρησιμοποίησαν μια μέθοδο που ονομάζεται εξώθηση υλικού. Ένα θερμαινόμενο ακροφύσιο έτρεχε ένα μακρύ κύλινδρο θερμοπλαστικού νήματος μέσα από αυτό. Το νήμα θερμαίνεται μέχρι να γίνει εύκαμπτο και στη συνέχεια εφαρμόζεται σε στρώσεις για να σχηματίσει το απαιτούμενο σχήμα. Αυτό το στυλ 3D εκτυπωτή είναι η πιο προσιτή και ευρέως χρησιμοποιούμενη επιλογή σήμερα.

Κρεβάτι Σκόνης

Οι 3D εκτυπωτές με κρεβάτι σκόνης χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία μεταλλικών και κεραμικών αντικειμένων. Αυτή η μέθοδος 3D εκτύπωσης ενσωματώνει ένα θερμαινόμενο κρεβάτι και έναν εκτυπωτή ψεκασμού που ψεκάζει ένα υλικό σύνδεσης. Αυτό το υλικό δημιουργεί το αντικείμενο στρώμα προς στρώμα και είναι ικανό για πολύπλοκα 3D σχέδια. Πρόσφατες εξελίξεις σε αυτή την προσέγγιση έχουν καταστήσει δυνατή η εκτύπωση πολλαπλών υλικών και ακόμη και ηλεκτρονικών.

Συγκολλητική Εναπόθεση

Η συγκολλητική εναπόθεση χρησιμοποιεί ένα θερμοπλαστικό νήμα που τοποθετείται με μεθόδους εξώθησης υλικού. Από εκεί, λέιζερ χρησιμοποιούνται για να διαμορφώσουν και να κλειδώσουν το σχήμα του αντικειμένου με μεγάλη ακρίβεια. Σημαντικό είναι ότι η χρήση λέιζερ στον τομέα της προσθετικής κατασκευής είναι κοινή, με την πρώτη χρήση της στερεολιθογραφίας (SLA) να πραγματοποιείται το 1984.

Πολυμερισμός Δύο Φωτονίων (TPP)

Σήμερα η μέθοδος πολυμερισμού δύο φωτονίων (TPP) είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη για βιομηχανικές εκτυπώσεις μικρομετρικής κλίμακας. Αυτή η μέθοδος βασίζεται σε δύο φεμτοδευτερόλεπτα λέιζερ που μπορούν να διαμορφώσουν, να σκληρύνουν και να στερεώσουν ειδικά κατασκευασμένα σύνθετα υλικά. Παρέχει υψηλή ακρίβεια και είναι μια αποδεδειγμένη μέθοδος για τη δημιουργία μικροδομών και άλλων μικροσκοπικών λεπτομερών συσκευών που θα ήταν αδύνατο να παραχθούν με άλλες μεθόδους.

Προβλήματα με αυτήν την Προσέγγιση

Πολλά προβλήματα με τη μέθοδο TPP οδήγησαν τους ερευνητές να εξερευνήσουν εναλλακτικές λύσεις. Κατ’ αρχάς, τα φεμτοδευτερόλεπτα λέιζερ είναι πολύ ακριβά, ευαίσθητα και απαιτούν υψηλή ακρίβεια. Η μικρότερη αλλαγή μπορεί να αφήσει αυτές τις συσκευές να χρειάζονται βαριά συντήρηση.

Ερευνητές

Αναγνωρίζοντας αυτές τις αναποτελεσματικότητες σε αυτή τη ρύθμιση, ερευνητές υπό την ηγεσία του μηχανικού του Πανεπιστημίου Purdue, Xianfan Xu, συνέθεσαν μια νέα πολυεπίπεδη προσέγγιση που υπόσχεται μείωση του κόστους. Για να ολοκληρώσουν αυτό το έργο, η ομάδα έπρεπε να ξεπεράσει μια ποικιλία εμποδίων, από παρεμβολές λέιζερ μέχρι ρύθμιση. Δείτε πώς κατάφεραν να ξεπεράσουν τις δυσκολίες και να δημιουργήσουν μια εντελώς νέα διαδικασία κατασκευής που μπορεί να ανατρέψει την αγορά.

Μελέτη Δύο-Λέιζερ

Η μελέτη «Δυοχρωματική 3D εκτύπωση για μείωση της ισχύος εκτύπωσης φεμτοδευτερόλεπτων λέιζερ» εξετάζει τη χρήση ενός λιγότερο ισχυρού λέιζερ για την εκτέλεση κάποιων εργασιών που προηγουμένως απαιτούσαν διπλές μονάδες φεμτοδευτερόλεπτων. Για να ολοκληρώσουν αυτό το έργο, η ομάδα δημιούργησε μια προσαρμοσμένη εγκατάσταση λυτρωτικής φωτοπολυμερισμού δύο φωτονίων. Αυτή η διάταξη περιλαμβάνει μια δευτερεύουσα διαδρομή λέιζερ προς το επίπεδο εκτύπωσης, επιτρέποντας στους ερευνητές να συλλέξουν πολύτιμα δεδομένα σε πραγματικό χρόνο για τις επιδράσεις του λέιζερ.

Βήμα 1 – Προετοιμασία του Υλικού

Το πρώτο βήμα που έλαβαν οι ερευνητές ήταν να υποβάλουν το υλικό σε μια φωτοχημική διαδικασία. Αυτή η διαδικασία βοηθά στη μείωση των ανασταλτικών ειδών στο υλικό, καθιστώντας το πιο εύκαμπτο προς τα λέιζερ που χρησιμοποιούνται για τη διαμόρφωση και τη σκλήρυνση. Ως εκ τούτου, αυτό το επιπλέον βήμα επέτρεψε στους ερευνητές να εξαλείψουν τη χρήση διπλών φεμτοδευτερόλεπτων λέιζερ.

Φθηνό Λέιζερ

Η νέα διαδικασία επέτρεψε στους ερευνητές να αξιοποιήσουν μια λιγότερο ακριβή επιλογή για τις πρώτες αλληλεπιδράσεις του λέιζερ. Η ομάδα εξάλειψε μια μονάδα φεμτοδευτερόλεπτου και την αντικατέστησε με μια επιλογή ορατού φωτός που λειτουργούσε σε συνεργασία με τη συσκευή υψηλής ισχύος. Αυτό το φθηνό λέιζερ ρυθμίστηκε ώστε να συμπληρώνει το φεμτοδευτερόλεπτο λέιζερ χωρίς να προσθέτει παρεμβολές.

Φεμτοδευτερόλεπτο Λέιζερ

Το φεμτοδευτερόλεπτο λέιζερ που επιλέχθηκε για τη δοκιμή ήταν ένας 532 nm νανοδευτερόλεπτος (ns) παλμικός ίνας λέιζερ από την MPB Communications Inc. Η συσκευή προσφέρει υψηλή δυνατότητα ρύθμισης, επιτρέποντας στην ομάδα να δοκιμάσει διαφορετικούς ρυθμούς επανάληψης. Η ομάδα τελικά κατέληξε σε ρυθμό επανάληψης 80 MHz με πλάτος παλμού 1,2 ns.

Καθρέφτες Δύο-Λέιζερ

Τα παλμοί συγκεντρώθηκαν περαιτέρω μέσω ενός αντικειμενικού φακού εμβάπτισης λαδιού Nikon, NA = 1,49 100X. Αυτή η προσέγγιση ενσωμάτωσε εξαιρετικά διασκορπιστικούς υπεργρήγορους καθρέφτες από την Edmund Optics ως μέσο έναρξης προσυμπίεσης διάχυσης. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε ένα λέιζερ ήλιο-νεονίου (HeNe) για να εξασφαλιστεί η ακρίβεια. Συγκεκριμένα, αυτή η δέσμη διασφάλιζε ότι η διαδρομή του λέιζερ ήταν επαναλήψιμη.

Μια Ισορροπία με Δύο-Λέιζερ

Η ακρίβεια που απαιτείται για τη δημιουργία αυτής της νέας διαδικασίας κατασκευής απαιτούσε από τους μηχανικούς τη δημιουργία ενός νέου μαθηματικού μοντέλου. Αυτό το μοντέλο έκανε δυνατή τη χαρτογράφηση των αντιδράσεων φωτοπολυμερισμού σε διάφορες καταστάσεις. Στο παρελθόν, ξεχωριστά μοντέλα χρησιμοποιούνταν για τον υπολογισμό της διεγερμένης κατάστασης και της επακόλουθης κινητικής πολυμερισμού του λέιζερ. Το ενημερωμένο μοντέλο επέτρεψε στους ερευνητές να μετρήσουν με ακρίβεια το συνδυαστικό αποτέλεσμα των διεργασιών διφωτονικού και μονοφωτονικού εξάτμισης σε πραγματικό χρόνο. Αυτή η δυνατότητα επέτρεψε στην ομάδα να καθορίσει τις χαμηλότερες απαιτήσεις κατανάλωσης ισχύος για το φεμτοδευτερόλεπτο λέιζερ ώστε να ολοκληρώσει τις εργασίες του χωρίς να χάσει απόδοση.

Δοκιμές Δύο-Λέιζερ

Οι ερευνητές ξεκίνησαν στη δοκιμή της δημιουργίας τους σε πολλαπλά σχέδια. Αυτές οι διάφορες 2D και 3D δομές επιλέχθηκαν λόγω της πολυπλοκότητας και του μεγέθους τους. Η ομάδα ήθελε να διασφαλίσει ότι η συσκευή τους θα μπορούσε να δημιουργηθεί σε μικρομετρική κλίμακα. Ως εκ τούτου, τα πρώτα αντικείμενα που εκτύπωσαν ήταν λεπτομερείς σωροί ξύλου με διαστάσεις 25 × 25 × 10 μm.

Πηγή – Optica