Peningkatan Aksesibilitas Pencetakan 3D dengan Teknik Dua-Laser Baru yang Dapat Menurunkan Biaya

Sebuah tim peneliti inovatif menemukan cara untuk mengurangi biaya pencetakan 3D dan meningkatkan kinerja melalui metode pencetakan dua-laser baru. Tim dari Universitas Purdue menerbitkan studi rinci tentang temuan mereka dalam jurnal ilmiah Optics Express. Studi tersebut membahas tentang detail teknik manufaktur aditif dual-color laser yang meningkatkan model polimerisasi dua-foton saat ini. Berikut adalah semua yang perlu Anda ketahui.

Proses Manufaktur Aditif Saat Ini

Untuk memahami sepenuhnya signifikansi studi ini, bijak untuk melihat sekilas evolusi proses manufaktur aditif. Konsep pencetakan 3D telah menjadi perjalanan yang menarik yang menyerupai fiksi ilmiah pada saat-saat tertentu. Perangkat ini telah berkembang dari buku komik menjadi salah satu cara paling populer, dan seringkali satu-satunya cara untuk membuat perangkat tertentu.

Eksstrusi Material

Pencetakan 3D pertama menggunakan metode yang disebut eksstrusi material. Sebuah nozzle yang dipanaskan memiliki spool filamen termoplastik yang diberikan melalui itu. Filamen dipanaskan sampai dapat dibentuk dan kemudian diterapkan dalam lapisan untuk membentuk bentuk yang diinginkan. Gaya pencetakan 3D ini adalah pilihan paling terjangkau dan banyak digunakan saat ini.

Tempat Tidur Serbuk

Pencetakan 3D tempat tidur serbuk digunakan untuk membuat barang-barang logam dan keramik. Metode pencetakan 3D ini mengintegrasikan tempat tidur serbuk dan printer inkjet yang menyemprotkan bahan pengikat. Bahan ini membuat barang tersebut lapis demi lapis dan dapat membuat desain 3D yang rumit. Pengembangan terbaru dalam pendekatan ini telah membuat pencetakan beberapa material dan bahkan elektronik menjadi mungkin.

Penggabungan Fusi

Fusi penggabungan menggunakan filamen termoplastik yang didepositkan menggunakan metode eksstrusi material. Dari sana, laser digunakan untuk membentuk dan mengunci bentuk barang dengan presisi yang tinggi. Perlu dicatat bahwa penggunaan laser di sektor manufaktur aditif adalah umum, dengan penggunaan pertama Stereolitografi (SLA) terjadi pada 1984.

Polimerisasi Dua-Foton (TPP)

Saat ini, metode polimerisasi dua-foton (TPP) adalah yang paling umum digunakan untuk pencetakan industri skala mikro. Metode ini bergantung pada laser femtosecond ganda yang dapat membentuk, mengeringkan, dan mengeras komposit yang dirancang khusus. Ini menyediakan akurasi yang tinggi dan merupakan metode yang terbukti untuk membuat mikrostruktur dan perangkat kecil lainnya yang mustahil dibuat dengan metode lain.

Masalah dengan Pendekatan Ini

Beberapa masalah dengan metode TPP memimpin peneliti untuk mengeksplorasi alternatif. Pertama, laser femtosecond sangat mahal, sensitif, dan memerlukan presisi yang tinggi. Perubahan kecil dapat menyebabkan perangkat ini memerlukan perawatan yang berat.

Peneliti

Mengenali ketidakefisienan dalam pengaturan ini, peneliti yang dipimpin oleh insinyur Universitas Purdue Xianfan Xu telah mengembangkan pendekatan multi-lapis yang berjanji untuk mengurangi biaya. Untuk mencapai tugas ini, tim perlu mengatasi berbagai hambatan yang berkisar dari interferensi laser hingga penyetelan. Berikut adalah bagaimana mereka dapat mengalahkan hambatan dan menciptakan proses manufaktur yang sama sekali baru yang memiliki potensi untuk mengguncang pasar.

Studi Dua-Laser

Studi “Pencetakan 3D dua-warna untuk pengurangan daya laser femtosecond” memeriksa penggunaan laser yang lebih rendah daya untuk menangani beberapa tugas yang sebelumnya memerlukan unit femtosecond ganda. Untuk mencapai tugas ini, tim menciptakan pengaturan litografi dua-foton khusus. Pengaturan ini termasuk jalur laser sekunder ke bidang cetak, yang memungkinkan peneliti untuk mengumpulkan data yang berharga tentang efek laser secara real-time.

Langkah 1 – Siapkan Material

Langkah pertama yang diambil peneliti adalah memproses material melalui proses foto-kimia. Proses ini membantu untuk menurunkan spesies inhibitor dalam material, membuatnya lebih dapat dibentuk oleh laser yang digunakan untuk proses pembentukan dan pengeringan. Dengan demikian, langkah tambahan ini memungkinkan peneliti untuk menghilangkan penggunaan laser femtosecond ganda.

Laser Rendah Biaya

Proses baru ini memungkinkan peneliti untuk menggunakan opsi yang lebih murah untuk interaksi laser pertama. Tim menghilangkan unit femtosecond dan menggantinya dengan opsi cahaya tampak yang bekerja sama dengan perangkat berdaya tinggi. Laser rendah biaya ini disetel untuk melengkapi laser femtosecond tanpa menambahkan interferensi.

Laser Femtosecond

Laser femtosecond yang dipilih untuk pengujian adalah laser serat pulsa nanosecond (ns) 532 nm dari MPB Communications Inc. Perangkat ini menyediakan penyetelan yang tinggi, yang memungkinkan tim untuk mencoba laju pengulangan yang berbeda. Tim akhirnya menetapkan laju pengulangan 80 MHz dengan lebar pulsa 1,2 ns.

Cermin Dua-Laser

Pulsa lebih lanjut dikonsentrasi melalui lensa imersi minyak 100X NA = 1,49 dari Nikon. Pendekatan ini mengintegrasikan cermin ultrafast yang sangat dispersif dari Edmund Optics sebagai cara untuk memulai prekompensasi dispersi. Selain itu, laser helium-neon (HeNe) digunakan untuk memastikan akurasi. Secara khusus, balok ini memastikan jalur laser dapat diulang.

Keseimbangan dengan Dua-Laser

Presisi yang diperlukan untuk menciptakan proses manufaktur baru ini memerlukan insinyur untuk menciptakan model matematika baru. Model ini memungkinkan untuk memetakan reaksi fotopolimerisasi di seluruh negara bagian. Di masa lalu, model terpisah digunakan untuk menghitung keadaan terangsang dan kinetika polimerisasi laser yang berikutnya.
Model yang diperbarui ini memungkinkan peneliti untuk mengukur secara akurat efek gabungan dari proses eksitasi dua-foton dan satu-foton secara real-time. Kemampuan ini memungkinkan tim untuk menentukan kebutuhan konsumsi daya terendah untuk laser femtosecond untuk menyelesaikan tugasnya tanpa kehilangan kinerja.

Pengujian Dua-Laser

Peneliti kemudian bekerja untuk menguji ciptaan mereka pada beberapa desain. Struktur 2D dan 3D yang beragam ini dipilih karena kompleksitas dan ukurannya. Tim ingin memastikan bahwa perangkat mereka dapat dibuat pada skala mikro. Dengan demikian, item pertama yang mereka cetak adalah tumpukan kayu yang terperinci yang berukuran 25 × 25 × 10 μm.

Source – Optica