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.

Het team stopte niet bij de houtstapels. Ze printten ook een microscopische buckybal, een chiraal structuur en een drievoudige knoop. Deze vormen werden gekozen omdat ze het team in staat stelden meerdere aspecten van hun onderzoek te demonstreren. Hier is wat de testresultaten zeggen over hun inspanningen.

Resultaten

De testresultaten toonden een aanzienlijke verbetering van de eenheid. Het apparaat kon alle eenheden printen met 50 % minder vermogen. De verminderde energie werd op verschillende manieren bereikt. Ten eerste verminderden de onderzoekers de femtosecondenlasers van een 800 nm apparaat naar een 530 nm laser. Deze wijziging bracht efficiëntie zonder prestatieverlies met de nieuwe methode.
Bovendien kon het nieuwe proces vergelijkbare resultaten als de industriestandaard leveren met minder materiaal en tijd. Concreet verminderde de enkel‑foton absorptie van een laser met zichtbaar spectrum de inhibitorconcentratie terwijl vergelijkbare resultaten werden behaald.

Eenvoudige integratie

Een van de grootste voordelen van deze studie is dat de nieuwe methode gemakkelijk kan worden geïntegreerd in bestaande methoden tegen minimale kosten. Deze aanpak zou helpen de kosten te verlagen door de noodzaak voor fabrikanten om nieuwe apparaten aan te schaffen te elimineren. In plaats daarvan kunnen hun huidige installaties worden aangepast om de nieuwe, goedkopere methode te gebruiken.

Toepassingen van twee‑laser

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 zeker steun krijgen van de sector. Hier zijn enkele andere toepassingen voor deze technologie.

Micro‑elektronica/robotica

De miniatuurschaal waarop deze apparaten kunnen printen maakt ze ideaal voor gebruik in micro‑elektronica en robotica. Deze eenheden zijn berucht moeilijk te bouwen en zijn een essentieel onderdeel geworden van vele industrieën. Daarom zou dit nieuwe productieproces het gemakkelijker maken om nieuwe structuren te creëren en te prototypen voor gebruik in deze apparaten.

Biomedische toepassingen

Gezondheidszorg is een ander gebied waar deze microstructuren en apparaten worden gebruikt. Kleine scaffoldings en structuren worden nu ingezet voor het engineereren van weefsel en andere bio‑robotische apparaten. Deze eenheden helpen mensen sneller te herstellen van verwondingen en een verbeterde levenskwaliteit te ervaren.

Bedrijven die vandaag van dit onderzoek kunnen profiteren

Veel verschillende bedrijven kunnen in de komende jaren van dit onderzoek profiteren. Van biomedische tot militaire en industriële toepassingen, micro‑additieve productiesystemen zouden verbeterde prestaties kunnen zien met de nieuwe meerkleurige laserprintmethode. Hier zijn enkele bedrijven die deze technologie direct kunnen integreren en resultaten kunnen zien.

1. Medtronic

MDT Prijsgrafiek

Medtronic, gevestigd in de VS, is een wereldleider op het gebied van medische apparaten. De fabrikant werd in 1949 opgericht als een medische reparatiefaciliteit. Tegenwoordig bezit het bedrijf tal van patenten op medisch technologisch gebied en is het een van de meest herkenbare namen in de industrie.

Medtronic was een pionier in de pacemakerindustrie en een van de eersten die een implanteerbaar apparaat patenteerde. Sindsdien is het een dominante kracht op de markt gebleven en blijft het nieuwe technologie introduceren om het leven van patiënten te verbeteren. De integratie van een twee‑kleur laserprintmethode zou hun aanbod aanzienlijk verbeteren door hen in staat te stellen 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 een omzet van 32 miljard dollar. Vandaag maken de voortdurende innovaties en positie het een ideale toevoeging aan elk portfolio.

2. Abbott Laboratories

ABT Prijsgrafiek

Abbott Laboratories (ABT ) bestaat sinds 1888. Het werd opgericht in Illinois en groeide snel uit tot een van de meest herkenbare namen in de industrie. Abbott Laboratories biedt een assortiment producten, waaronder farmaceutische geneesmiddelen, medische apparaten, voedingssupplementen en nutritionele supplementen.

Abbott Laboratories heeft producten die verschillende sectoren van de medische industrie beslaan. Ze staan specifiek bekend om hun cardiovasculaire, diagnostische, diabetes‑ en neuromodulatie‑aanbod. Bovendien exploiteren ze enkele zeer populaire dochterondernemingen, waaronder Pedialyte en Similac, toonaangevende producenten van babyvoeding.

De aandelenprestaties van Abbott Laboratories zijn gestegen. De combinatie van medische apparaten en nutritionele aanbiedingen maakt het een sterke “hold” voor elke handelaar. De toekomst ziet er rooskleurig uit voor dit bedrijf, dat nu een cruciale rol speelt in het wereldwijd leveren van hartzorgapparaten.

Toekomst

Weinig industrieën hebben zoveel innovatie gezien als de additieve productiemarkt. Deze nieuwste ontwikkeling zal het gebruik van deze apparaten in miniatuurrobotica en elektronische apparaten zoals wearables stimuleren. In de toekomst zullen micro‑wearables en implanteerbare medische apparaten een meer centrale rol binnen de industrie innemen. Hier zijn enkele andere recente 3D‑printontwikkelingen die de adoptie kunnen versnellen.

Ruimteprinters

Er zijn recente ontwikkelingen in de ruimteprintsector. Deze eenheden verschillen van hun aardse tegenhangers doordat ze lagen moeten kunnen printen zonder de hulp van zwaartekracht. Deze taak is niet eenvoudig te realiseren, aangezien alle huidige methoden een gelaagde aanpak vereisen.
Onderzoekers konden deze problemen overwinnen met behulp van ingewikkelde wiskunde en door het apparaat af te sluiten. De behuizing dient meerdere doelen, waaronder het beschermen van astronauten tegen dodelijke dampen of andere incidenten die de zeer gevoelige atmosfeer van een ruimtevaartuig in gevaar kunnen brengen.

AI‑printers

AI‑3D‑printers worden steeds vaker gebruikt. De integratie van geavanceerde AI‑algoritmen heeft een doorslaggevend effect op bijna elke technologische industrie. In de toekomst kun je 3D‑prints eenvoudig aanvragen via chat of spraak.
AI blijft een gestroomlijnde manier bieden voor mensen om technische barrières te overwinnen. Daarom wordt het door velen gezien als een van de belangrijkste ontwikkelingen op de markt. In de toekomst zullen AI‑3D‑printstations en andere diensten alledaags zijn. Voorlopig blijft deze technologie interacties stroomlijnen en technische obstakels voor nieuwe gebruikers wegnemen.

Zelfherstellende robots

Een ander sci‑fi scenario dat werkelijkheid is, zijn zelfherstellende robots. Het duurde niet lang voordat onderzoekers een 3D‑printer ontwikkelden die alle onderdelen kon printen die nodig waren om te functioneren. Nu wordt hetzelfde concept toegepast op robotica. Zelfherstellende en reparerende robots zullen de samenleving in de toekomst helpen functioneren, door moeilijke taken en banen op zich te nemen die de gemiddelde persoon niet aankan.

Twee‑kleur laserprinten is een grote upgrade

Het werk dat deze onderzoekers hebben geleverd zal een doorslaggevend effect hebben op de 3D‑printindustrie in de toekomst. U kunt verwachten dat meer micro‑robotica en elektronische apparaten deze methode zullen gebruiken om kosten te verlagen en resultaten te verbeteren. Hierdoor heeft dit team de basis gelegd voor een nieuw tijdperk in micro‑additieve productie.

Leer over andere coole additieve productie projecten nu.