Toegankelijkheid van 3D‑printen verbetert met nieuwe twee‑lasertechnieken die kosten moeten verlagen

Een groep innovatieve onderzoekers ontdekte een manier om de kosten van 3D‑printen te verlagen en de prestaties te verbeteren via een nieuwe twee‑laser printmethode. Het Purdue University‑team publiceerde een gedetailleerde studie van hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Optics Express. De studie gaat dieper in op de details van een geavanceerde dual‑kleur laser‑additieve productietechniek die het huidige twee‑foton polymerisatiemodel verbetert. Hier is alles wat u moet weten.

Huidige additieve productietechnieken

Om de betekenis van deze studie volledig te begrijpen, is het verstandig een snelle blik te werpen op de evolutie van het additieve productieproces. Het concept van 3D‑printen is een opwindende reis geweest die soms aan science‑fiction doet denken. Deze apparaten zijn van stripboeken uitgegroeid tot een van de meest populaire, en vaak de enige manier om bepaalde apparaten te maken.

Materiaalextrusie

De eerste 3D‑printers gebruikten een methode die materiaalextrusie wordt genoemd. Een verwarmde nozzle kreeg een lange spoel thermoplastisch filament aangevoerd. Het filament werd verwarmd tot het kneedbaar was en vervolgens in lagen aangebracht om de gewenste vorm te vormen. Deze stijl van 3D‑printer is vandaag de meest betaalbare en breed gebruikte optie.

Poederbed

Poederbed‑3D‑printers worden gebruikt voor het maken van metalen en keramische onderdelen. Deze methode van 3D‑printen combineert een verwarmd bed en een inkjetprinter die een bindmiddel spuit. Dit materiaal vormt het object laag voor laag en is in staat tot ingewikkelde 3D‑ontwerpen. Recente ontwikkelingen in deze aanpak hebben het mogelijk gemaakt om meerdere materialen en zelfs elektronica te printen.

Gesmolten Deposities

Gesmolten depositie maakt gebruik van een thermoplastisch filament dat wordt aangebracht met materiaalextrusie. Vervolgens worden lasers gebruikt om de vorm van het object met grote precisie te vormen en vast te zetten. Het gebruik van lasers in de additieve productiesector is opvallend veelvoorkomend, met de eerste toepassing van stereolithografie (SLA) in 1984.

Twee‑foton polymerisatie (TPP)

Tegenwoordig is een twee‑foton polymerisatie (TPP)‑methode de meest gebruikte voor micron‑schaal industriële prints. Deze methode maakt gebruik van twee femtosecondenlasers die op maat gemaakte composieten kunnen vormen, uitharden en verharden. Het biedt hoge nauwkeurigheid en is een bewezen methode voor het creëren van microstructuren en andere kleine gedetailleerde apparaten die met andere methoden onmogelijk zouden zijn.

Problemen met deze aanpak

Verschillende problemen met de TPP‑methode leidden onderzoekers tot het zoeken naar alternatieven. Ten eerste zijn femtosecondenlasers zeer duur, gevoelig en vereisen ze hoge precisie. De kleinste wijziging kan deze apparaten zware onderhoudsbehoeften opleggen.

Onderzoekers

Door deze inefficiënties in de opstelling te herkennen, hebben onderzoekers onder leiding van Purdue University‑ingenieur Xianfan Xu een nieuwe meerlagige aanpak ontwikkeld die kostenbelofte biedt. Om deze taak te volbrengen, moest het team een reeks obstakels overwinnen, variërend van laserinterferentie tot afstemming. Hier is hoe ze de kansen wisten te overwinnen en een volledig nieuw productieproces creëerden dat de markt kan opschudden.

Twee‑laserstudie

De studie “Two-color 3D printing for reduction in femtosecond laser printing power” onderzoekt het gebruik van een minder krachtige laser om enkele taken uit te voeren die voorheen een dubbele femtosecondeneenheid vereisten. Om dit te realiseren, heeft het team een op maat gemaakte twee‑foton lithografie‑opstelling gebouwd. Deze opstelling omvat een secundair laserpad naar het printvlak, waardoor onderzoekers waardevolle realtime gegevens over de effecten van de laser kunnen verzamelen.

Stap 1 – Het materiaal voorbereiden

De eerste stap die de onderzoekers namen, was het materiaal door een fotochemisch proces te laten gaan. Dit proces helpt de inhibitiespecies in het materiaal te verlagen, waardoor het beter kneedbaar wordt voor de lasers die worden gebruikt bij het vormen en uitharden. Hierdoor maakte deze extra stap het mogelijk om het gebruik van dubbele femtosecondenlasers te elimineren.

Goedkope laser

Het nieuwe proces stelde onderzoekers in staat een minder dure optie te gebruiken voor de eerste laserinteracties. Het team schafte een femtosecondeneenheid af en verving deze door een zichtbaar lichtoptie die samenwerkte met het krachtige apparaat. Deze goedkope laser werd afgestemd om de femtosecondenlaser aan te vullen zonder interferentie toe te voegen.

Femtosecondenlaser

De voor de test gekozen femtosecondenlaser was een 532 nm nanoseconde (ns) gepulseerde vezellaser van MPB Communications Inc. Het apparaat biedt hoge afstelbaarheid, waardoor het team verschillende herhalingsfrequenties kon uitproberen. Uiteindelijk koos het team voor een herhalingsfrequentie van 80 MHz met een pulsbreedte van 1,2 ns.

Twee‑lasermirrors

De pulsen werden verder geconcentreerd via een Nikon NA = 1.49 100X olie‑immersie objectieflens. Deze aanpak integreerde sterk dispersieve ultrasnelle mirrors van Edmund Optics om precompensatie‑dispersie te initiëren. Daarnaast werd een helium‑neon (HeNe) laser gebruikt om nauwkeurigheid te waarborgen. Specifiek zorgde deze straal ervoor dat het laserpad herhaalbaar was.

Een evenwichtsoefening met twee lasers

De precisie die nodig was om dit nieuwe productieproces te creëren, vereiste dat ingenieurs een nieuw wiskundig model ontwikkelden. Dit model maakte het mogelijk fotopolymerisatiereacties over verschillende toestanden in kaart te brengen. Voorheen werden aparte modellen gebruikt om de aangeslagen toestand en de daaropvolgende polymerisatiekinetiek van de laser te berekenen.
Het bijgewerkte model stelde onderzoekers in staat om in realtime het gecombineerde effect van twee‑foton‑ en enkel‑foton‑excitatieprocessen nauwkeurig te meten. Deze mogelijkheid stelde het team in staat om de laagste energieverbruikseisen voor de femtosecondenlaser te bepalen om zijn taken uit te voeren zonder prestatieverlies.

Twee‑laser testen

De onderzoekers gingen vervolgens aan de slag met het testen van hun creatie op meerdere ontwerpen. Deze verschillende 2D‑ en 3D‑structuren werden gekozen vanwege hun complexiteit en grootte. Het team wilde er zeker van zijn dat hun apparaat op micronniveau kon worden gemaakt. Daarom waren de eerste items die ze printten gedetailleerde houtstapels van 25 × 25 × 10 μm.

Bron – Optica