3D-printen toegankelijker maken met nieuwe techniek met twee lasers om kosten te verlagen

Een groep innovatieve onderzoekers ontdekte een manier om de kosten van 3D-printen te verlagen en de prestaties te verbeteren via een nieuwe methode met twee lasers. Het team van de Purdue University publiceerde een gedetailleerd onderzoek van hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Optics Express. Het onderzoek gaat dieper in op de details van een geavanceerde dual-color laser additive manufacturing-techniek die het huidige Two-photon polymerization-model verbetert. Hieronder volgt alles wat u moet weten.

Huidige additieve productieprocessen

Om de betekenis van deze studie volledig te begrijpen, is het verstandig om een korte blik te werpen op de evolutie van het additieve productieproces. Het concept van 3D-printen is een spannende reis geweest die soms op sciencefiction lijkt. Deze apparaten zijn gegaan van comic books naar een van de meest populaire en vaak de enige manier om bepaalde apparaten te maken.

Materiaalextrusie

De eerste 3D-printers gebruikten een methode genaamd materiaalextrusie. Een verwarmde nozzle had een lange spoel thermoplastisch filament dat erdoorheen werd gevoerd. Het filament werd verwarmd tot het zacht was en vervolgens in lagen aangebracht om de vereiste vorm te vormen. Deze stijl van 3D-printen is de goedkoopste en meest gebruikte optie vandaag.

Poederbed

Poederbed 3D-printers worden gebruikt voor het maken van metalen en keramische voorwerpen. Deze methode van 3D-printen integreert een poederbed en een inkjetprinter die een bindmiddel spuit. Dit materiaal creëert het voorwerp laag voor laag en is in staat om ingewikkelde 3D-ontwerpen te maken. Recent onderzoek naar deze benadering heeft het mogelijk gemaakt om meerdere materialen en zelfs elektronica te printen.

Gefuseerde depositie

Gefuseerde depositie gebruikt een thermoplastisch filament dat wordt afgezet met behulp van materiaalextrusiemethoden. Vervolgens worden lasers gebruikt om de vorm van het voorwerp te modelleren en te vergrendelen met grote precisie. Het gebruik van lasers in de additieve productiesector is gebruikelijk, met de eerste toepassing van Stereolithografie (SLA) in 1984.

Twee-fotonenpolymerisatie (TPP)

Vandaag de dag is de twee-fotonenpolymerisatie (TPP)-methode de meest gebruikte voor micron-schaalindustriële afdrukken. Deze methode is afhankelijk van dubbele femtosecondelasers die purpose-built composieten kunnen modelleren, uitharden en vastzetten. Het biedt hoge nauwkeurigheid en is een bewezen methode voor het maken van microstructuren en andere kleine gedetailleerde apparaten die onmogelijk zijn met andere methoden.

Problemen met deze benadering

Meerdere problemen met de TPP-methode leidden ertoe dat onderzoekers alternatieven gingen zoeken. Ten eerste zijn femtosecondelasers zeer duur, gevoelig en vereisen hoge precisie. De geringste verandering kan ervoor zorgen dat deze apparaten zware onderhoudsbeurten nodig hebben.

Onderzoekers

De onderzoekers, onder leiding van de Purdue University-engineer Xianfan Xu, hebben een nieuwe, meerlaagse benadering ontwikkeld die belooft de kosten te verlagen. Om deze taak te volbrengen, moest het team een reeks obstakels overwinnen, van laserinterferentie tot afstemming. Hieronder volgt hoe ze de uitdagingen konden overwinnen en een compleet nieuw productieproces konden creëren dat de markt kan veranderen.

Studie met twee lasers

De studie “Twee-kleuren 3D-printen voor vermindering van femtosecondelaserprintvermogen” onderzoekt het gebruik van een minder krachtige laser om sommige taken uit te voeren die eerder dual femtosecond-eenheden vereisten. Om deze taak te volbrengen, creëerde het team een aangepaste twee-fotonenlithografiesetup. Deze setup omvat een secundaire laserpad naar het printvlak, waardoor onderzoekers waardevolle realtimegegevens over de effecten van de laser kunnen verzamelen.

Stap 1 – Materiaal voorbereiden

De eerste stap die de onderzoekers namen, was het materiaal door een fotochemisch proces te leiden. Dit proces helpt om de remmingssoorten in het materiaal te verlagen, waardoor het meer kneedbaar wordt voor de lasers die worden gebruikt voor het modelleren en uitharden. Als zodanig maakte deze extra stap het voor de onderzoekers mogelijk om het gebruik van dubbele femtosecondelasers te elimineren.

Lagekostenlaser

Het nieuwe proces stelde onderzoekers in staat om een minder dure optie te gebruiken voor de eerste laserinteracties. Het team verwijderde een femtosecondelaser en verving deze door een zichtbaar lichtoptie die samenwerkte met het krachtige apparaat. Deze lagekostenlaser werd afgestemd om de femtosecondelaser te complementeren zonder interferentie toe te voegen.

Femtosecondelaser

De femtosecondelaser die voor de test werd gekozen, was een 532 nm nanoseconden (ns) gepulste vezellaser van MPB Communications Inc. Het apparaat biedt hoge afstembaarheid, waardoor het team verschillende herhalingssnelheden kon proberen. Het team koos uiteindelijk voor een herhalingssnelheid van 80 MHz bij een pulsbreedte van 1,2 ns.

Twee-laser spiegels

De pulsen werden verder geconcentreerd via een Nikon, NA = 1,49 100X olie-immersielens. Deze aanpak integreerde zeer disperieve ultrafast spiegels van Edmund Optics als een manier om precompensatie-dispersie te initiëren. Bovendien werd een helium-neon (HeNe)-laser gebruikt om de nauwkeurigheid te garanderen. Specifiek zorgde deze bundel 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 maakten. Dit model maakte het mogelijk om fotopolymerisatiereacties over staten te modelleren. In het verleden werden afzonderlijke modellen gebruikt om de geëxciteerde toestand en de daaropvolgende polymerisatiekinetiek van de laser te berekenen.

Het bijgewerkte model stelde onderzoekers in staat om de gecombineerde werking van twee-fotonen- en enkele-fotonenexcitatieprocessen in realtime nauwkeurig te meten. Deze mogelijkheid stelde het team in staat om de laagste stroomverbruikseisen voor de femtosecondelaser te bepalen om zijn taken uit te voeren zonder prestaties te verliezen.

Testen met twee lasers

De onderzoekers gingen 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 ervoor zorgen dat hun apparaat op micron-schaal kon worden gemaakt. Als zodanig waren de eerste items die ze afdrukten gedetailleerde houtstapels die 25 × 25 × 10 μm maten.

Source – Optica

Het team stopte niet bij de houtstapels. Ze drukten ook een microscopische buckybal, een chirale structuur en een trefoilknoop af. Deze vormen werden gekozen omdat ze het team in staat stelden om meerdere aspecten van hun onderzoek te demonstreren. Hieronder volgt wat de testresultaten zeggen over hun inspanningen.

Resultaten

De testresultaten toonden aanzienlijke verbetering in de eenheid. Het apparaat kon alle eenheden afdrukken met 50% minder stroom. De vermindering van stroomverbruik werd op meerdere manieren bereikt. Ten eerste verlaagden de onderzoekers de femtosecondelaser van een 800 nm-apparaat naar een 530 nm-laser. Deze verandering voegde efficiëntie toe zonder prestaties te verliezen met de nieuwe methode.

Bovendien kon het nieuwe proces soortgelijke resultaten produceren als de industrienorm met minder materiaal en tijd. Specifiek reduceerde de enkele-fotonenabsorptie van een zichtbaar lichtlaser de remmingsconcentratie, terwijl vergelijkbare resultaten werden behaald.

Makkelijke integratie

Een van de grootste voordelen van deze studie is dat de nieuwe methode gemakkelijk in de huidige methoden kan worden geïntegreerd met minimale kosten. Deze benadering zou helpen om de kosten te verlagen door het elimineren van de noodzaak voor fabrikanten om nieuwe apparaten te kopen. In plaats daarvan kunnen hun huidige configuraties worden aangepast om de nieuwe, goedkopere methode te gebruiken.

Toepassingen van twee lasers

Er zijn verschillende directe toepassingen voor deze technologie. Additieve productie is populairder dan ooit, en elke manier om kosten te verlagen en prestaties te verbeteren, zal ongetwijfeld steun ontvangen van de sector. Hieronder volgen een paar andere toepassingen voor deze technologie.

Micro-elektronica/robotica

De miniaturische schaal waarop deze apparaten kunnen afdrukken, maakt ze ideaal voor gebruik in micro-elektronica en robotica. Deze eenheden zijn berucht moeilijk te bouwen en zijn een cruciaal onderdeel van veel industrieën geworden. Als zodanig zou dit nieuwe productieproces het makkelijker maken om nieuwe structuren te creëren en te protyperen voor gebruik in deze apparaten.

Biomedische toepassingen

Gezondheidszorg is een ander veld waar microstructuren en apparaten worden gebruikt. Kleine scaffolds en structuren worden nu gebruikt voor weefseltechniek en andere bio-robotische apparaten. Deze eenheden helpen mensen om sneller te herstellen van verwondingen en genieten van een verbeterde kwaliteit van leven.

Bedrijven die vandaag baat kunnen hebben bij dit onderzoek

Veel verschillende bedrijven kunnen in de komende jaren baat hebben bij dit onderzoek. Van biomedische toepassingen tot militaire en industriële toepassingen kunnen micro-additieve productiesystemen een betere prestatie zien met de nieuwe multi-color laserprintmethode. Hieronder volgen een paar bedrijven die deze technologie onmiddellijk kunnen integreren en resultaten kunnen zien.

1. Medtronic

(MDT )

Het in de VS gevestigde Medtronic is een wereldleider in het veld van medische apparaten. De fabrikant werd in 1949 opgericht als een medische reparatiefaciliteit. Vandaag de dag houdt het bedrijf meerdere octrooien in medische technologie en is een van de meest erkende namen in de industrie.

Medtronic was een pionier in de pacemakerindustrie en was een van de eerste die een implanteerbaar apparaat octrooieerde. Sindsdien is het bedrijf een dominante kracht in de markt gebleven en introduceert het voortdurend nieuwe technologie om het leven van patiënten te verbeteren. De integratie van een twee-kleuren laserprintmethode zou hun aanbod aanzienlijk verbeteren door het mogelijk te maken om de grootte van hun apparaten te verkleinen.

Medtronic is een van de meest succesvolle fabrikanten van medische apparaten ter wereld. In 2024 behaalde het bedrijf 32 miljard dollar aan omzet. Vandaag de dag zorgen de voortdurende innovaties en de positie van het bedrijf ervoor dat het een ideale toevoeging is aan elk portfolio.

2. Abbott Laboratories

(ABT )

Abbott Laboratories is sinds 1888 actief. Het bedrijf werd opgericht in Illinois en groeide snel uit tot een van de meest erkende namen in de industrie. Abbott Laboratories biedt een selectie aan producten, waaronder farmaceutische medicijnen, medische apparaten, dieet-supplementen en voedings-supplementen.

Abbott Laboratories heeft producten die meerdere sectoren van de medische industrie bestrijken. Specifiek is het bedrijf erkend voor zijn cardiovasculaire, diagnostische, diabetes- en neuromodulatie-aanbod. Bovendien exploiteert het bedrijf enkele populaire dochterondernemingen, waaronder Pedialyte en Similac, toonaangevende producenten van babyvoeding.

De aandelenprestaties van Abbott Laboratories zijn gebleven op het niveau van de stijging. De combinatie van medische apparaten en voedingsaanbod van het bedrijf maakt het een sterk “houd”-aandeel voor elke trader. De toekomst ziet er goed uit voor dit bedrijf, dat nu een belangrijke rol speelt in het wereldwijd aanbieden van hartgezondheidsapparaten.

Toekomst

Weinig industrieën hebben zoveel innovatie gezien als de additieve productiemarkt. Deze laatste ontwikkeling zal helpen om het gebruik van deze apparaten in miniaturele robotica en elektronische apparaten zoals wearables te stimuleren. In de toekomst zullen microwearables en implanteerbare medische apparaten een centrale rol spelen in de industrie. Hieronder volgen enkele recente 3D-printontwikkelingen die de adoptie kunnen helpen stimuleren.

Ruimteprinters

Er zijn recente ontwikkelingen geweest in de ruimteprintsector. Deze eenheden verschillen van menselijke tegenhangers doordat ze in staat moeten zijn om lagen te printen zonder de hulp van zwaartekracht. Deze taak is niet gemakkelijk te volbrengen, aangezien alle huidige methoden een laag-voor-laag-benadering vereisen.

Onderzoekers konden deze problemen overwinnen met behulp van enkele ingewikkelde wiskunde en door het apparaat te omhullen. De omhulling dient meerdere doelen, waaronder het beschermen van astronauten tegen dodelijke dampen of andere ongevallen die de zeer gevoelige atmosfeer van een ruimtevaartuig in gevaar kunnen brengen.

AI-printers

AI 3D-printers worden steeds gebruikelijker. De integratie van geavanceerde AI-algoritmen heeft een verreikende invloed op bijna elke technologie-industrie. In de toekomst zult u in staat zijn om 3D-afdrukken aan te vragen door middel van chat of spraak.

AI biedt een gestroomlijnde manier voor mensen om technische barrières te overwinnen. Als zodanig wordt het door velen gezien als een van de belangrijkste ontwikkelingen in de markt. In de toekomst zullen AI 3D-printstations en andere diensten algemeen worden. Voor nu blijft deze technologie de interacties vereenvoudigen en technische obstakels voor nieuwe gebruikers verwijderen.

Zelfherstellende robots

Een ander sciencefictionscenario dat realiteit is, zijn zelfherstellende robots. Het duurde niet lang voordat onderzoekers een 3D-printer konden maken die alle onderdelen kon afdrukken die nodig waren om te functioneren. Nu wordt ditzelfde concept toegepast op robotica. Zelfherstellende en reparatierobots zullen de samenleving in de toekomst helpen functioneren, door moeilijke taken en banen aan te pakken die de gemiddelde persoon niet aankon.

Twee-kleuren laserprinten is een belangrijke upgrade

Het werk dat deze onderzoekers hebben verricht, zal een verreikende invloed hebben op de 3D-printindustrie in de toekomst. U kunt verwachten dat meer micro-robotica en elektronische apparaten deze methode zullen gebruiken als een manier om kosten te verlagen en resultaten te verbeteren. Als zodanig heeft dit team de basis gelegd voor een nieuwe era in micro-additieve productie.

Leer over andere interessante additieve productieprojecten nu.