3D-tulostuksen saavutettavuus paranee uusilla kaksilaseritekniikoilla, jotka alentavat kustannuksia

Innovatiivinen tutkijaryhmä löysi tavan vähentää 3D-tulostuksen kustannuksia ja parantaa suorituskykyä uuden kaksilaseritulostusmenetelmän avulla. Purdue Universityn tiimi julkaisi yksityiskohtaisen tutkimuksen löydöksistään tieteellisessä lehdessä Optics Express. Tutkimus syventyy edistyneen kaksivärisen laserlisävalmistustekniikan yksityiskohtiin, joka parantaa nykyistä kaksifoton polymerisaatiomallia. Tässä kaikki, mitä sinun tarvitsee tietää.

Nykyiset lisävalmistusprosessit

Ensimmäiset 3D-tulostimet käyttivät menetelmää, jota kutsutaan materiaalin pursotukseksi. Lämmitetty suutin sai pitkän kelan termoplastista filamenttia syötettyä sen läpi. Filamentti kuumennettiin muovautuvaksi ja sen jälkeen levitettiin kerroksittain halutun muodon muodostamiseksi. Tämä 3D-tulostintyyli on nykyään edullisin ja laajimmin käytetty vaihtoehto.

Materiaalin pursotus

Ensimmäiset 3D-tulostimet käyttivät menetelmää, jota kutsutaan materiaalin pursotukseksi. Lämmitetty suutin sai pitkän kelan termoplastista filamenttia syötettyä sen läpi. Filamentti kuumennettiin muovautuvaksi ja sen jälkeen levitettiin kerroksittain halutun muodon muodostamiseksi. Tämä 3D-tulostintyyli on nykyään edullisin ja laajimmin käytetty vaihtoehto.

Jauhevuode

Jauhevuode-3D-tulostimia käytetään metallisten ja keraamisten esineiden valmistamiseen. Tämä 3D-tulostusmenetelmä yhdistää lämmittävän vuoteen mustesuihkutulostimen, joka sumuttaa sidontamateriaalia. Tämä materiaali muodostaa esineen kerros kerrokselta ja mahdollistaa monimutkaiset 3D-muotoilut. Viimeaikaiset kehitykset tässä lähestymistavassa ovat tehneet mahdolliseksi useiden materiaalien ja jopa elektroniikan tulostamisen.

Sulautettu talteenotto

Sulautettu talteenotto käyttää termoplastista filamenttia, joka talletetaan materiaalin pursotusmenetelmällä. Tämän jälkeen laseria käytetään muovaamaan ja lukitsemaan esineen muoto paikoilleen erittäin tarkasti. Huomionarvoista on, että laserien käyttö lisävalmistussektorilla on yleistä, ja ensimmäinen stereolitografia (SLA) otettiin käyttöön vuonna 1984.

Kaksifoton polymerisaatio (TPP)

Nykyään kaksifoton polymerisaatiomenetelmää (TPP) käytetään yleisimmin mikronikokoisten teollisten tulosteiden valmistukseen. Tämä menetelmä perustuu kahteen femtosekuntilaseriin, jotka voivat muovata, kovettaa ja kiinteistyttää räätälöidyt komposiitit. Se tarjoaa korkean tarkkuuden ja on todistettu menetelmä mikrorakenteiden ja muiden pienten yksityiskohtaisten laitteiden luomiseen, jotka olisivat mahdottomia muilla menetelmillä.

Tämän lähestymistavan ongelmat

Useita ongelmia TPP-menetelmässä saivat tutkijat etsimään vaihtoehtoja. Yksi syy on, että femtosekuntilasereita on erittäin kalliita, herkkiä ja ne vaativat tarkkaa tarkkuutta. Pienikin muutos voi aiheuttaa laitteiden vaativan runsasta huoltoa.

Tutkijat

Tunnistaen nämä tehottomuudet tässä järjestelyssä, Purdue Universityn insinööri Xianfan Xun johtamat tutkijat ovat kehittäneet uuden monikerroksisen lähestymistavan, joka lupaa vähentää kustannuksia. Saavuttaakseen tämän tehtävän tiimin täytyi voittaa erilaisia esteitä, kuten laserhäiriöitä ja virityksiä. Tässä on, miten he onnistuivat kääntämään tilanteen edukseen ja luomaan täysin uuden valmistusprosessin, jolla on potentiaalia mullistaa markkinat.

Kaksilaseritutkimus

Tutkimus “Kaksivärinen 3D-tulostus femtosekuntilaserin tulostustehojen vähentämiseksi” tarkastelee heikomman tehon laserin käyttöä joidenkin tehtävien hoitamiseen, jotka aiemmin vaativat kahta femtosekuntiyksikköä. Saavuttaakseen tämän tehtävän tiimi rakensi räätälöidyn kaksifoton litografia-asetelman. Tämä kokoonpano sisältää toissijaisen laseripolun tulostustasolle, mikä mahdollistaa tutkijoiden kerätä arvokasta reaaliaikaista dataa laserin vaikutuksista.

Vaihe 1 – Valmistele materiaali

Ensimmäinen vaihe, jonka tutkijat tekivät, oli viedä materiaali fotokemiallisen prosessin läpi. Tämä prosessi auttaa vähentämään materiaalin inhibiittilajeja, jolloin se on helpommin muokattavissa laserien avulla muovaus- ja kovetusprosessissa. Tämän lisävaiheen ansiosta tutkijat pystyivät poistamaan kaksinkertaisen femtosekuntilaserin käytön.

Edullinen laser

Uusi prosessi mahdollisti tutkijoiden hyödyntää edullisempaa vaihtoehtoa ensimmäisiin laserivuorovaikutuksiin. Tiimi poisti femtosekuntiyksikön ja korvasi sen näkyvän valon vaihtoehdolla, joka toimi yhteistyössä korkea-tehoisen laitteen kanssa. Tämä edullinen laser viritettiin täydentämään femtosekuntilaseria ilman häiriöitä.

Femtosekuntilaser

Testiin valittu femtosekuntilaser oli 532 nm nanosekuntinen (ns) pulssifibeerlase MPB Communications Inc.:ltä. Laite tarjoaa korkean viritettävyyden, mikä mahdollistaa tiimin kokeilla erilaisia toistotaajuuksia. Tiimi päätyi lopulta 80 MHz toistotaajuuteen, 1,2 ns pulssileveyteen.

Kaksilaserin peilit

Pulssit keskitettiin edelleen Nikonin NA = 1.49 100X öljyupotusobjektiivilinssin avulla. Tämä lähestymistapa sisälsi erittäin hajauttavat ultranopeat peilit Edmund Opticsilta, jotka aloittivat esikompensoivan dispersio. Lisäksi helium-neon (HeNe) -laseria käytettiin tarkkuuden varmistamiseksi. Erityisesti tämä säde varmisti, että laseripolku oli toistettavissa.

Tasapainottelu kaksilaserin kanssa

Tämän uuden valmistusprosessin luomiseen tarvittava tarkkuus vaati insinööreiltä uuden matemaattisen mallin kehittämistä. Tämä malli mahdollisti fotopolymerisaatioreaktioiden kartoittamisen eri tilojen välillä. Aikaisemmin erillisiä malleja käytettiin laskemaan laserin eksitoitunut tila ja sen jälkeinen polymerisaatiokineettinen prosessi.
Päivitetty malli mahdollisti tutkijoiden tarkasti mitata kahden fotonin ja yhden fotonin eksitaatioprosessien yhdistetyn vaikutuksen reaaliajassa. Tämä kyky antoi tiimille mahdollisuuden määrittää femtosekuntilaserin alhaisimman energian kulutusvaatimuksen tehtäviensä suorittamiseksi ilman suorituskyvyn heikkenemistä.

Kaksilaseritestaus

Tutkijat aloittivat sitten testauksen useilla malleilla. Nämä erilaiset 2D- ja 3D-rakenteet valittiin niiden monimutkaisuuden ja koon perusteella. Tiimi halusi varmistaa, että laite voidaan valmistaa mikronikokoluokassa. Tästä syystä ensimmäiset tulostetut kohteet olivat yksityiskohtaisia puupinoja, joiden mitat olivat 25 × 25 × 10 μm.

Tiimi ei pysähtynyt puupinoihin. He tulostivat myös mikroskooppisen buckyballin, kiralisen rakenteen ja kolmikaarisen solmun. Nämä muodot valittiin, koska ne mahdollistivat tiimin demonstroivan useita tutkimuksen osa-alueita. Tässä, mitä testitulokset sanovat heidän ponnisteluistaan.

Tulokset

Testitulokset osoittivat merkittävää parannusta laitteessa. Laite pystyi tulostamaan kaikki yksiköt käyttäen 50 % vähemmän energiaa. Energiansäästö saavutettiin useilla tavoilla. Ensin tutkijat vähensivät femtosekuntilasereiden aallonpituutta 800 nm-laitteesta 530 nm-laseriksi. Tämä muutos lisäsi tehokkuutta ilman suorituskyvyn heikentymistä uudella menetelmällä.
Lisäksi uusi prosessi pystyi tuottamaan samankaltaisia tuloksia kuin teollisuuden standardi käyttäen vähemmän materiaalia ja aikaa. Erityisesti näkyvän aallonpituuden laserin yksifoton absorptio vähensi inhibiittipitoisuutta samalla tarjoten vertailukelpoisia tuloksia.

Helppo integrointi

Yksi tämän tutkimuksen suurimmista eduista on, että uusi menetelmä voidaan helposti integroida nykyisiin menetelmiin minimaalisilla kustannuksilla. Tämä lähestymistapa auttaa vähentämään kustannuksia poistamalla valmistajien tarpeen hankkia uusia laitteita. Sen sijaan nykyiset järjestelmät voidaan muokata käyttämään uutta edullisempaa menetelmää.

Kaksilaserisovellukset

Tälle tekniikalle on useita välittömiä sovelluksia. Lisävalmistus on suosituimpaa kuin koskaan, ja mikä tahansa tapa vähentää kustannuksia ja parantaa suorituskykyä saa varmasti alan tuen. Tässä muutamia muita sovelluksia tälle teknologialle.

Mikroelektroniikka/robotiikka

Pienikokoinen mittakaava, jossa nämä laitteet voivat tulostaa, tekee niistä ihanteellisia mikroelektroniikassa ja robotiikassa. Näiden yksiköiden rakentaminen on tunnetusti vaikeaa, ja ne ovat tulleet monien teollisuudenalojen keskeiseksi osaksi. Tästä syystä tämä uusi valmistusprosessi helpottaa uusien rakenteiden luomista ja prototypointia näiden laitteiden käyttöön.

Biolääketiede

Terveydenhuolto on toinen ala, jossa näitä mikrorakenteita ja laitteita käytetään. Pienet tukirakenteet ja rakenteet ovat nyt käytössä kudosten ja muiden bio-robottisten laitteiden suunnittelussa. Nämä yksiköt auttavat ihmisiä toipumaan vammoista nopeammin ja nauttimaan paremmasta elämänlaadusta.

Yritykset, jotka voisivat hyötyä tästä tutkimuksesta tänään

Monet eri yritykset voivat hyötyä tästä tutkimuksesta tulevina vuosina. Biolääketieteestä sotilas- ja teollisuuskäyttöön, mikro-lisävalmistusjärjestelmät voivat nähdä parantunutta suorituskykyä uuden monivärisen laseritulostusmenetelmän avulla. Tässä muutamia yrityksiä, jotka voisivat ottaa tämän teknologian käyttöön heti ja nähdä tuloksia.

1. Medtronic

MDT Hintakaavio

Yhdysvalloissa toimiva Medtronic on maailmanlaajuinen johtaja lääketieteellisten laitteiden alalla. Valmistaja perustettiin vuonna 1949 lääketieteellisenä korjauslaitoksena. Nykyään yrityksellä on useita patentteja lääketieteellisessä teknologiassa, ja se on yksi alan tunnetuimmista nimistä.

Medtronic oli edelläkävijä sydämentahdistinmarkkinoilla ja yksi ensimmäisistä, joka patentoi implantoitavan laitteen. Siitä lähtien se on pysynyt markkinoiden hallitsevana toimijana, jatkaen uusien teknologioiden esittelemistä potilaiden elämän parantamiseksi. Kaksivärisen laseritulostusmenetelmän integrointi parantaisi heidän tarjontaansa merkittävästi mahdollistamalla laitteiden koon pienentämisen.

Medtronic on yksi maailman menestyneimmistä lääketieteellisten laitteiden valmistajista. Vuonna 2024 yritys ansaitsi 32 miljardia dollaria liikevaihtoa. Nykyään sen jatkuvat innovaatiot ja asema tekevät siitä ihanteellisen lisän mihin tahansa salkkuun.

2. Abbott Laboratories

ABT Hintakaavio

Abbott Laboratories (ABT ) on ollut olemassa vuodesta 1888. Se perustettiin Illinoisissa ja kasvoi nopeasti yhdeksi alan tunnistetuimmista nimistä. Abbott Laboratories tarjoaa valikoiman tuotteita, mukaan lukien lääkeaineet, lääketieteelliset laitteet, ravintolisät ja ravitsemuslisät.

Abbott Laboratoriesilla on tuotteita, jotka kattavat useita lääketieteen sektoreita. Erityisesti ne tunnetaan sydän- ja verisuonitautien, diagnostiikan, diabeteksen ja neuro-modulaation tuotteistaan. Lisäksi ne omistavat erittäin suosittuja tytäryhtiöitä, kuten Pedialyte ja Similac, jotka ovat johtavia vauvanruokien valmistajia.

Osakkeen suorituskyky on pysynyt nousussa Abbott Laboratoriesille. Yrityksen yhdistelmä lääketieteellisiä laitteita ja ravitsemustuotteita tekee siitä vahvan “pidä” -sijoituksen mille tahansa kauppiaalle. Tulevaisuus näyttää valoisalta tälle yritykselle, joka nyt näyttelee keskeistä roolia sydänterveyden laitteiden tarjoamisessa maailmanlaajuisesti.

Tulevaisuus

Vain harvat teollisuudenalat ovat nähneet näin suurta innovaatiota kuin lisävalmistusmarkkinat. Tämä uusin kehitys edistää näiden laitteiden käyttöä minirobotissa ja elektronisissa laitteissa, kuten kannettavissa laitteissa. Tulevaisuudessa mikro-kannettavat laitteet ja implantoitavat lääketieteelliset laitteet ottavat keskeisemmän roolin alalla. Tässä muutamia muita viimeaikaisia 3D-tulostuksen edistysaskeleita, jotka voivat edistää omaksumista.

Avaruustulostimet

Avaruustulostussektorilla on tapahtunut viimeaikaisia kehityksiä. Nämä yksiköt eroavat ihmisten vastineista siinä, että niiden täytyy pystyä tulostamaan kerroksia ilman painovoiman apua. Tämä tehtävä ei ole helppo toteuttaa, koska kaikki nykyiset menetelmät vaativat kerrostamislähestymistavan.
Tutkijat pystyivät voittamaan nämä ongelmat käyttämällä monimutkaista matematiikkaa ja sulkemalla laitteen. Sulku palvelee useita tarkoituksia, mukaan lukien astronauttien suojaaminen tappavilta kaasuilta tai muilta onnettomuuksilta, jotka voisivat vaarantaa avaruusaluksen erittäin herkän ilmapiirin.

AI-tulostimet

AI-3D-tulostimet yleistyvät. Edistyneiden AI-algoritmien integrointi vaikuttaa voimakkaasti lähes kaikkiin teknologiasektoreihin. Tulevaisuudessa voit pyytää 3D-tulostuksia pelkästään chat- tai äänikomennolla.
AI tarjoaa edelleen virtaviivaistetun tavan ihmisille ylittää tekniset esteet. Tästä syystä sitä pidetään monien mielestä yhtenä tärkeimmistä kehityksistä markkinoilla. Tulevaisuudessa AI-3D-tulostusasemista ja muista palveluista tulee arkipäivää. Tällä hetkellä tämä teknologia jatkaa vuorovaikutusten virtaviivaistamista ja teknisten esteiden poistamista uusilta käyttäjiltä.

Itsekorjaavat robotit

Toinen tieteiskirjallisuudesta tuttu skenaario, joka on todellisuutta, on itsekorjaavat robotit. Tutkijoiden ei kestänyt kauan luoda 3D-tulostin, joka pystyi tulostamaan kaikki sen toimintaan tarvittavat osat. Nyt samaa konseptia sovelletaan robotiikkaan. Itseparantavat ja -korjaavat robotit auttavat yhteiskuntaa toimimaan tulevaisuudessa, ottamalla vastaan vaikeita tehtäviä ja töitä, joita tavallinen ihminen ei pystyisi hoitamaan.

Kaksivärinen laseritulostus on merkittävä päivitys

Näiden tutkijoiden tekemä työ vaikuttaa voimakkaasti 3D-tulostusteollisuuteen tulevaisuudessa. Voit odottaa näkeväsi enemmän mikro-robotteja ja elektronisia laitteita, jotka hyödyntävät tätä menetelmää kustannusten leikkaamiseksi ja tulosten parantamiseksi. Tästä syystä tämä tiimi on luonut perustan uudelle aikakaudelle mikro-lisävalmistuksessa.

Tutustu muihin hienoihin lisävalmistus projekteihin nyt.