Aksesibilitas Pencetakan 3D Meningkat dengan Teknik Dua Laser Baru yang Siap Menurunkan Biaya

Sekelompok peneliti inovatif menemukan cara untuk mengurangi biaya pencetakan 3D dan meningkatkan kinerja melalui metode pencetakan dua laser baru. Tim Universitas Purdue menerbitkan studi terperinci tentang temuan mereka di jurnal ilmiah Optics Express. Studi ini menyelami detail teknik manufaktur aditif laser dua warna canggih yang meningkatkan model Polimerisasi Dua-Foton saat ini. Berikut semua yang perlu Anda ketahui.

Proses Manufaktur Aditif Saat Ini

Untuk sepenuhnya memahami pentingnya studi ini, ada baiknya melihat sekilas evolusi proses manufaktur aditif. Konsep pencetakan 3D telah menjadi perjalanan menarik yang kadang menyerupai fiksi ilmiah. Perangkat ini telah beralih dari komik ke salah satu cara paling populer, bahkan sering menjadi satu‑satunya cara untuk menciptakan perangkat tertentu.

Ekstrusi Material

Printer 3D pertama menggunakan metode yang disebut ekstrusi material. Sebuah nozzle yang dipanaskan akan menarik benang termoplastik panjang melalui spool. Filamen dipanaskan hingga menjadi lunak dan kemudian diaplikasikan berlapis‑lapis untuk membentuk bentuk yang diinginkan. Gaya printer 3D ini adalah opsi paling terjangkau dan paling banyak digunakan saat ini.

Powder Bed

Printer 3D powder bed digunakan untuk membuat barang logam dan keramik. Metode pencetakan ini menggabungkan tempat berisi serbuk dengan printer inkjet yang menyemprotkan bahan pengikat. Bahan ini membentuk objek lapis demi lapis dan mampu menghasilkan desain 3D yang rumit. Pengembangan terbaru dalam pendekatan ini memungkinkan pencetakan multi‑material bahkan elektronik.

Fused Deposition

Fused deposition menggunakan filamen termoplastik yang didepositkan melalui metode ekstrusi material. Selanjutnya, laser digunakan untuk membentuk dan mengunci bentuk barang dengan presisi tinggi. Penggunaan laser dalam sektor manufaktur aditif memang umum, dengan penggunaan pertama Stereolithography (SLA) terjadi pada tahun 1984.

Polimerisasi Dua‑Foton (TPP)

Saat ini metode Polimerisasi Dua‑Foton (TPP) adalah yang paling umum digunakan untuk cetakan industri skala mikron. Metode ini mengandalkan dua laser femtosekon yang dapat membentuk, mengeraskan, dan memadatkan komposit khusus. Metode ini memberikan akurasi tinggi dan terbukti efektif untuk menciptakan mikrostruktur serta perangkat detail kecil yang tidak mungkin dibuat dengan metode lain.

Masalah pada Pendekatan Ini

Berbagai masalah pada metode TPP mendorong peneliti mencari alternatif. Pertama, laser femtosekon sangat mahal, sensitif, dan memerlukan presisi tinggi. Perubahan sekecil apa pun dapat membuat perangkat ini memerlukan perawatan berat.

Peneliti

Menyadari ketidakefisienan dalam pengaturan ini, peneliti yang dipimpin oleh insinyur Universitas Purdue, Xianfan Xu, menyusun pendekatan berlapis baru yang menjanjikan pengurangan biaya. Untuk mencapai hal ini, tim harus mengatasi berbagai hambatan mulai dari interferensi laser hingga penyetelan. Berikut cara mereka mengatasi tantangan dan menciptakan proses manufaktur baru yang berpotensi mengguncang pasar.

Studi Dua‑Laser

Studi “Two-color 3D printing for reduction in femtosecond laser printing power” meneliti penggunaan laser berdaya lebih rendah untuk menangani beberapa tugas yang sebelumnya memerlukan dua unit femtosekon. Untuk itu, tim membuat setup litografi dua‑foton yang dibangun khusus. Pengaturan ini mencakup jalur laser sekunder ke bidang cetak, memungkinkan peneliti mengumpulkan data waktu nyata yang berharga tentang efek laser.

Langkah 1 – Persiapan Material

Langkah pertama yang diambil peneliti adalah memproses material melalui proses fotokimia. Proses ini membantu menurunkan spesies penghambat dalam material, membuatnya lebih mudah dipengaruhi oleh laser yang digunakan untuk proses pencetakan dan pengerasan. Dengan demikian, langkah tambahan ini memungkinkan peneliti menghilangkan penggunaan dua laser femtosekon.

Laser Biaya Rendah

Proses baru memungkinkan peneliti memanfaatkan opsi yang lebih murah untuk interaksi laser pertama. Tim menghilangkan unit femtosekon dan menggantinya dengan opsi cahaya tampak yang bekerja berkolaborasi dengan perangkat berdaya tinggi. Laser berbiaya rendah ini disetel untuk melengkapi laser femtosekon tanpa menimbulkan interferensi.

Laser Femtosekon

Laser femtosekon yang dipilih untuk percobaan adalah laser serat berdenyut nanodetik (ns) 532 nm dari MPB Communications Inc. Perangkat ini menawarkan kemampuan penyetelan tinggi, memungkinkan tim mencoba berbagai laju pengulangan. Tim akhirnya menetapkan laju pengulangan 80 MHz dengan lebar pulsa 1,2 ns.

Cermin Dua‑Laser

Pulsa lebih lanjut dipusatkan melalui lensa objektif imersi minyak Nikon, NA = 1.49 100X. Pendekatan ini mengintegrasikan cermin ultrafast yang sangat dispersi dari Edmund Optics sebagai cara untuk memulai kompensasi dispersi pra‑pembentukan. Selain itu, laser helium‑neon (HeNe) digunakan untuk memastikan akurasi. Secara khusus, berkas ini memastikan jalur laser dapat diulang secara konsisten.

Menyeimbangkan Dua‑Laser

Presisi yang dibutuhkan untuk menciptakan proses manufaktur baru ini memaksa insinyur membuat model matematis baru. Model ini memungkinkan pemetaan reaksi fotopolimerisasi di seluruh keadaan. Sebelumnya, model terpisah digunakan untuk menghitung keadaan tereksitasi dan kinetika polimerisasi laser selanjutnya.

Model yang diperbarui memungkinkan peneliti mengukur secara akurat efek gabungan proses eksitasi dua‑foton dan satu‑foton secara waktu nyata. Kemampuan ini memungkinkan tim menentukan kebutuhan konsumsi daya terendah untuk laser femtosekon agar dapat menyelesaikan tugasnya tanpa kehilangan performa.

Pengujian Dua‑Laser

Peneliti kemudian menguji kreasi mereka pada berbagai desain. Berbagai struktur 2D dan 3D ini dipilih karena kompleksitas dan ukurannya. Tim ingin memastikan perangkat mereka dapat dibuat pada skala mikron. Oleh karena itu, item pertama yang mereka cetak adalah tumpukan kayu detail berukuran 25 × 25 × 10 μm.

Sumber – Optica

Tim tidak berhenti pada tumpukan kayu tersebut. Mereka juga mencetak buckyball mikroskopik, struktur kiral, dan simpul tiga‑keliling. Bentuk‑bentuk ini dipilih karena memungkinkan tim menunjukkan berbagai aspek penelitian mereka. Berikut apa yang dikatakan hasil pengujian tentang upaya mereka.

Hasil

Hasil pengujian menunjukkan peningkatan signifikan pada unit. Perangkat mampu mencetak semua unit dengan penggunaan daya 50 % lebih sedikit. Pengurangan daya dicapai melalui beberapa cara. Pertama, peneliti menurunkan laser femtosekon dari perangkat 800 nm menjadi laser 530 nm. Perubahan ini menambah efisiensi tanpa mengurangi performa menggunakan metode baru.

Selain itu, proses baru mampu menghasilkan hasil serupa dengan standar industri menggunakan lebih sedikit material dan waktu. Secara khusus, penyerapan satu‑foton dari laser panjang gelombang tampak mengurangi konsentrasi penghambat sambil memberikan hasil yang sebanding.

Integrasi Mudah

Salah satu keuntungan terbesar dari studi ini adalah bahwa metode baru dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam metode saat ini dengan biaya minimal. Pendekatan ini akan membantu mengurangi biaya dengan menghilangkan kebutuhan produsen untuk membeli perangkat baru. Sebaliknya, pengaturan mereka yang ada dapat dimodifikasi untuk menggunakan metode berbiaya rendah yang baru.

Aplikasi Dua‑Laser

Ada beberapa aplikasi langsung untuk teknologi ini. Manufaktur aditif kini lebih populer daripada sebelumnya, dan setiap cara untuk mengurangi biaya serta meningkatkan performa pasti akan mendapat dukungan dari sektor ini. Berikut beberapa aplikasi lain untuk teknologi ini.

Micro Electronics/Robotics

Skala miniatur yang dapat dicetak oleh perangkat ini menjadikannya ideal untuk digunakan dalam mikroelektronika dan robotika. Unit‑unit ini terkenal sulit dibangun dan telah menjadi bagian penting dari banyak industri. Oleh karena itu, proses manufaktur baru ini akan mempermudah pembuatan dan prototipe struktur baru untuk digunakan dalam perangkat tersebut.

Biomedis

Kesehatan adalah bidang lain di mana mikrostruktur dan perangkat ini digunakan. Rangka dan struktur kecil kini dipakai untuk merekayasa jaringan serta perangkat bio‑robotik lainnya. Unit‑unit ini membantu orang pulih dari cedera lebih cepat dan menikmati kualitas hidup yang lebih baik.

Perusahaan yang Dapat Memanfaatkan Penelitian Ini Sekarang

Berbagai perusahaan dapat memanfaatkan penelitian ini dalam beberapa tahun ke depan. Dari bidang biomedis hingga militer dan industri, sistem manufaktur aditif mikro dapat melihat peningkatan performa dengan metode pencetakan laser multi‑warna baru. Berikut beberapa perusahaan yang dapat mengintegrasikan teknologi ini segera dan melihat hasilnya.

1. Medtronic

MDT Grafik Harga

Medtronic berbasis AS adalah pemimpin global di bidang perangkat medis. Produsen ini didirikan pada tahun 1949 sebagai fasilitas perbaikan medis. Saat ini, perusahaan memegang banyak paten dalam teknologi medis dan merupakan salah satu nama paling dikenal di industri.

Medtronic adalah pelopor dalam industri pacemaker dan merupakan salah satu yang pertama mematenkan perangkat implan. Sejak saat itu, mereka tetap menjadi kekuatan dominan di pasar, terus memperkenalkan teknologi baru untuk meningkatkan kehidupan pasien. Integrasi metode pencetakan laser dua‑warna akan meningkatkan penawaran mereka secara signifikan dengan memungkinkan pengurangan ukuran perangkat.

Medtronic adalah salah satu produsen perangkat medis paling sukses di dunia. Pada tahun 2024, perusahaan mencatat pendapatan $32 miliar. Inovasi berkelanjutan dan posisi pasar mereka menjadikannya tambahan ideal untuk portofolio mana pun.

2. Abbott Laboratories

ABT Grafik Harga

Abbott Laboratories (ABT ) telah berdiri sejak 1888. Didirikan di Illinois, perusahaan ini cepat tumbuh menjadi salah satu nama paling dikenal di industri. Abbott Laboratories menawarkan beragam produk, termasuk obat farmasi, perangkat medis, suplemen diet, dan suplemen nutrisi.

Produk Abbott Laboratories mencakup banyak sektor industri medis. Secara khusus, mereka dikenal karena penawaran kardiovaskular, diagnostik, diabetes, dan neuromodulasi. Selain itu, mereka mengoperasikan beberapa anak perusahaan populer termasuk Pedialyte dan Similac, produsen susu formula bayi terkemuka.

Kinerja saham Abbott Laboratories terus meningkat. Kombinasi perangkat medis dan penawaran nutrisi menjadikannya “hold” yang kuat bagi setiap trader. Masa depan perusahaan tampak cerah, mengingat peran pentingnya dalam menyediakan perangkat perawatan jantung secara global.

Masa Depan

Sedikit industri yang menyaksikan inovasi sebesar pasar manufaktur aditif. Pengembangan terbaru ini akan membantu mendorong penggunaan perangkat ini dalam robotika miniatur dan perangkat elektronik seperti wearables. Di masa depan, mikrowearable dan perangkat medis implan akan mengambil peran lebih sentral dalam industri. Berikut beberapa kemajuan pencetakan 3D terbaru yang dapat membantu mempercepat adopsi.

Printer Luar Angkasa

Baru‑baru ini terdapat perkembangan di sektor pencetakan luar angkasa. Unit‑unit ini berbeda dari rekan manusia karena harus dapat mencetak lapisan tanpa bantuan gravitasi. Tugas ini tidak mudah karena semua metode saat ini memerlukan pendekatan berlapis.

Peneliti berhasil mengatasi masalah ini dengan matematika rumit dan dengan menutup perangkat dalam sebuah enkapsulasi. Enkapsulasi tersebut berfungsi melindungi astronot dari asap beracun atau insiden lain yang dapat membahayakan atmosfer sensitif di dalam pesawat luar angkasa.

Printer AI

Printer 3D berbasis AI semakin umum. Integrasi algoritma AI canggih memberikan dampak besar pada hampir setiap industri teknologi. Di masa depan, Anda akan dapat meminta cetakan 3D hanya dengan chat atau suara.

AI terus menyediakan cara yang lebih sederhana bagi orang untuk mengatasi hambatan teknis. Karena itu, banyak yang menganggapnya sebagai salah satu perkembangan terpenting di pasar. Kedepannya, stasiun pencetakan 3D AI dan layanan terkait akan menjadi hal yang umum. Saat ini, teknologi ini terus menyederhanakan interaksi dan menghilangkan rintangan teknis bagi pengguna baru.

Robot yang Dapat Memperbaiki Sendiri

Skenario fiksi ilmiah lain yang kini menjadi kenyataan adalah robot yang dapat memperbaiki diri sendiri. Tidak lama setelah peneliti menciptakan printer 3D yang dapat mencetak semua bagian yang dibutuhkannya untuk beroperasi, konsep yang sama kini diterapkan pada robotika. Robot yang dapat menyembuhkan dan memperbaiki diri sendiri akan membantu masyarakat berfungsi di masa depan, mengambil alih tugas‑tugas berat dan pekerjaan yang tidak dapat ditangani orang biasa.

Pencetakan Laser Dua‑Warna adalah Peningkatan Besar

Pekerjaan yang dilakukan para peneliti ini akan memberikan dampak signifikan pada industri pencetakan 3D ke depan. Anda dapat mengharapkan lebih banyak mikro‑robotika dan perangkat elektronik yang memanfaatkan metode ini sebagai cara untuk mengurangi biaya dan meningkatkan hasil. Dengan demikian, tim ini telah meletakkan dasar bagi era baru dalam manufaktur aditif mikro.

Pelajari proyek manufaktur aditif lainnya sekarang.