הגישה להדפסה תלת־ממדית משתפרת עם טכניקות חדשות של שני לייזרים המיועדות להורדת עלויות

קבוצה של חוקרים חדשניים גילתה דרך להפחית את עלויות ההדפסה התלת-ממדית ולשפר את הביצועים על ידי שיטת הדפסה חדשה בעלת שני לייזרים. צוות אוניברסיטת פרדו פרסם מחקר מפורט מחקר על ממצאיהם בכתב העת המדעי Optics Express. המחקר עומק בפרטים של טכניקת ייצור תוספתי מתקדמת עם לייזר דו-צבעי, שמשפרת את המודל הנוכחי של תהליך פולימריזציה בשני פוטונים. כאן כל מה שאתה צריך לדעת.

תהליכי ייצור תוספתיים של היום

להבין את משמעותו של מחקר זה, זה חכם להציץ במהירות בהתפתחות תהליך הייצור התוספתי. מושג ההדפסה התלת-ממדית היה מסע מרגש שדמה לעיתים למדע בדיוני. התקנים האלה עברו מספרי קומיקס לאחד הדרכים הפופולריים ולעיתים היחיד ליצור מכשירים מסוימים.

חומר מוצק

המדפסות התלת-ממדיות הראשונות השתמשו בשיטה הנקראת חומר מוצק. חרוט חם היה לו סליל ארוך של חוט תרמופלסטי שעבר דרכו. החוט היה מחומם עד שהיה ניתן לעיצוב ואז הונח בשכבות כדי ליצור את הצורה הדרושה. סוג זה של מדפסת תלת-ממדית הוא הזול והנפוץ ביותר היום.

מיטת אבק

מדפסות תלת-ממדיות של מיטת אבק משמשות ליצירת פריטים ממתכת וקרמיקה. שיטה זו של הדפסה תלת-ממדית משלבת מיטת אבק ומדפסת אינקג’ט שמזריקה חומר מחבר. חומר זה יוצר את הפריט שכבה אחר שכבה ומסוגל ליצור עיצובים תלת-ממדיים מורכבים. פיתוחים אחרונים בגישה זו הפכו את ההדפסה של חומרים מרובים ואפילו אלקטרוניקה לאפשרית.

הלחמה

הלחמה משתמשת בחוט תרמופלסטי שמונח על ידי שיטות הוצאת חומר. משם, לייזרים משמשים לעצב ולנעול את צורת הפריט במדויק. במיוחד, השימוש בלייזרים בתעשיית הייצור התוספתי שכיח, עם השימוש הראשון בסטריאוליתוגרפיה (SLA) ב-1984.

פולימריזציה בשני פוטונים (TPP)

היום, שיטת פולימריזציה בשני פוטונים (TPP) היא הנפוצה ביותר להדפסות תעשייתיות בקנה מידה של מיקרון. שיטה זו מסתמכת על לייזרים דו-פמטושניים שיכולים לעצב, לתקן ולהותיר מוצקים חומרים מיוחדים. היא מספקת דיוק גבוה והיא שיטה מוכחת ליצירת מיקרו-מבנים ופריטים מורכבים אחרים שהיו בלתי אפשריים בשיטות אחרות.

בעיות עם גישה זו

מספר בעיות עם שיטת TPP הובילו חוקרים לחפש חלופות. למשל, לייזרים פמטושניים הם יקרים מאוד, רגישים ודורשים דיוק גבוה. שינוי קל בלבד יכול לגרום לכך שהתקנים האלה ידרשו תחזוקה כבדה.

חוקרים

בהכרת אי-היעילויות בהתקן הזה, חוקרים בראשות מהנדס אוניברסיטת פרדו, Xianfan Xu, הרכיבו גישה רב-שכבתית חדשה שמבטיחה להוריד עלויות. כדי לבצע משימה זו, הצוות היה צריך להתגבר על מכשולים רבים, מהפרעות לייזר ועד כיוונון. הנה כיצד הם הצליחו לנצח את הסיכויים וליצור תהליך ייצור חדש לגמרי שיכול להפוך את השוק.

מחקר שני-לייזר

המחקר “הדפסה תלת-ממדית דו-צבעית להפחתת כוח הלייזר הפמטושני” בוחן את השימוש בלייזר בעל כוח נמוך יותר לטיפול בחלק מהמשימות שדרשו בעבר יחידות פמטושניות כפולות. כדי לבצע משימה זו, הצוות יצר התקן מותאם אישית של ליתוגרפיה דו-פוטונית. הסדר הזה כולל מסלול לייזר משני למישור ההדפסה, מאפשר לחוקרים לאסוף נתונים אמיתיים חשובים על השפעות הלייזר.

שלב 1 – הכנת החומר

השלב הראשון שהחוקרים עשו היה לעבור את החומר דרך תהליך פוטוכימי. תהליך זה עוזר להוריד את ריכוז המעכבים בחומר, מה שהופך אותו לניתן לעיצוב יותר עבור הלייזרים המשמשים לתהליך היציקה וההתקשה. כך, צעד נוסף זה איפשר לחוקרים לבטל את השימוש בלייזרים פמטושניים כפולים.

לייזר בעלות נמוכה

התהליך החדש איפשר לחוקרים לנצל אפשרות זולה יותר לאינטראקציות הלייזר הראשונות. הצוות ביטל יחידת פמטושנית והחליפה באפשרות אור נראה שעבדה בשיתוף פעולה עם ההתקן בעל הכוח הגבוה. לייזר זול זה הוכוון לשתף פעולה עם הלייזר הפמטושני מבלי להוסיף הפרעות.

לייזר פמטושני

הלייזר הפמטושני שנבחר לניסוי היה לייזר ננו-שניים (ns) 532 nm מ-MPB Communications Inc. ההתקן מספק כוונון גבוה, מאפשר לצוות לנסות קצבי חזרה שונים. הצוות בסופו של דבר בחר בקצב חזרה של 80 MHz ברוחב פולס של 1.2 ns.

מראות לייזר כפול

הפולסים רוכזו עוד יותר דרך עדשת ליתוגרפיה 100X של Nikon, NA = 1.49. גישה זו שילבה מראות אולטרא-דיספרסיביות מ-Edmund Optics כדי לאתחל פיצוי דיספרסיה. בנוסף, לייזר הליום-ניאון (HeNe) שימש להבטיח דיוק. במיוחד, קרן זו הבטיחה שמסלול הלייזר היה חוזר.

משחק שיווי משקל עם לייזר כפול

הדיוק הדרוש ליצירת תהליך הייצור החדש הזה חייב את המהנדסים ליצור מודל מתמטי חדש. מודל זה איפשר למפות תגובות פוטופולימריזציה לאורך מצבים. בעבר, מודלים נפרדים שימשו לחישוב המצב המעורר והקינטיקה הפולימרית של הלייזר.
המודל המעודכן איפשר לחוקרים למדוד בדיוק את ההשפעה המשולבת של תהליכי עירור והתקשה בשני פוטונים ופוטון בודד בזמן אמת. יכולת זו איפשרה לצוות לקבוע את דרישות הצריכת הכוח הנמוכות ביותר ללייזר הפמטושני כדי לבצע את משימותיו בלי לאבד ביצועים.

בדיקת לייזר כפול

החוקרים אז התחילו לבדוק את יצירתם על עיצובים שונים. מבנים אלה בממדים 2D ו-3D נבחרו בגלל מורכבותם וגודלם. הצוות רצה לוודא שהתקן שלהם יכול להיות מיוצר בקנה מידה של מיקרון. כך, הפריטים הראשונים שהם הדפיסו היו ערימות עץ מפורטות שמדדו 25 × 25 × 10 μm.

Source – Optica