3D‑utskrifts tilgjengelighet forbedres med nye to‑laser‑teknikker som skal senke kostnadene

En gruppe innovative forskere oppdaget en måte å redusere 3D‑utskriftskostnader og forbedre ytelsen via en ny to‑laserskrivemetode. Purdue University‑teamet publiserte en detaljert studie av sine funn i det vitenskapelige tidsskriftet Optics Express. Studien går i dybden på detaljene i en avansert to‑farget laser‑additiv produksjonsteknikk som forbedrer den nåværende to‑fotons polymeriseringsmodellen. Her er alt du trenger å vite.

Dagens additive produksjonsprosesser

De første 3D‑printerne brukte en metode kalt materialekstrudering. En oppvarmet dyse hadde en lang spole med termoplastisk filament som ble matet gjennom den. Filamentet ble varmet opp til det ble formbart og deretter påført i lag for å danne den ønskede formen. Denne 3D‑printerstilen er i dag det mest rimelige og mest brukte alternativet.

Materialekstrudering

Pulverbunn‑3D‑printere brukes til å lage metall- og keramikkgjenstander. Denne metoden for 3D‑utskrift integrerer en oppvarmet seng og en blekksprøyteprinter som sprayer et bindemiddel. Dette materialet bygger opp gjenstanden lag for lag og er i stand til intrikate 3D‑design. Nyere utviklinger innen denne tilnærmingen har gjort utskrift av flere materialer og til og med elektronikk mulig.

Pulverbunn

Smeltedeposisjon bruker et termoplastisk filament som deponeres ved hjelp av materialekstruderingsmetoder. Deretter brukes lasere til å forme og låse gjenstandens form på plass med høy presisjon. Merk at bruk av lasere i den additive produksjonssektoren er vanlig, med den første bruken av stereolitografi (SLA) i 1984.

Smeltedeposisjon

I dag er en to‑fotons polymeriseringsmetode (TPP) den mest brukte for mikron‑skala industrielle utskrifter. Denne metoden baserer seg på to femtosekundlasere som kan forme, herde og størkne spesialtilpassede kompositter. Den gir høy nøyaktighet og er en påvist metode for å lage mikrostrukturer og andre små detaljerte enheter som ville være umulige med andre metoder.

To‑fotons polymerisering (TPP)

Flere problemer med denne tilnærmingen førte forskere til å utforske alternativer. For det første er femtosekundlasere svært dyre, følsomme og krever høy presisjon. Den minste endring kan gjøre at disse enhetene krever omfattende vedlikehold.

Problemer med denne tilnærmingen

Etter å ha erkjent disse ineffektivitetene i oppsettet, har forskere ledet av Purdue University‑ingeniør Xianfan Xu utviklet en ny flerlags tilnærming som lover å redusere kostnadene. For å gjennomføre dette måtte teamet overvinne en rekke hindringer, fra laserinterferens til justering. Slik klarte de å overvinne oddsene og skape en helt ny produksjonsprosess som har potensial til å ryste markedet.

Forskere

Studien «Two-color 3D printing for reduction in femtosecond laser printing power» undersøker bruken av en lavere effektlaser for å håndtere noen av oppgavene som tidligere krevde to femtosekundlasere. For å gjennomføre dette laget teamet et spesialbygd to‑fotons litografisk oppsett. Denne ordningen inkluderer en sekundær laserbane til utskriftsplanet, som gjør det mulig for forskerne å samle verdifulle sanntidsdata om laserens effekter.

To‑laserstudie

Steg 1 – Forbered materialet

Det første steget forskerne tok var å sette materialet gjennom en fotokjemisk prosess. Denne prosessen bidrar til å redusere inhiberende stoffer i materialet, noe som gjør det mer formbart for laserne som brukes i formings‑ og herdingsprosessen. Dermed gjorde dette ekstra steget det mulig for forskerne å eliminere bruken av to femtosekundlasere.

Kostnadseffektiv laser

Den nye prosessen gjorde det mulig for forskerne å utnytte et rimeligere alternativ for de første laserinteraksjonene. Teamet fjernet en femtosekundenhet og erstattet den med et synlig lys‑alternativ som samarbeidet med den høy‑effekt enheten. Denne kostnadseffektive laseren ble justert for å komplementere femtosekundlaseren uten å skape interferens.

Femtosekundlaser

Femtosekundlaseren som ble valgt for testen var en 532 nm nanosekund (ns) pulserende fiberlaser fra MPB Communications Inc. Enheten gir høy justerbarhet, noe som gjør at teamet kunne prøve ulike repetisjonsfrekvenser. Teamet slo til slutt fast en repetisjonsfrekvens på 80 MHz med en pulsbredd på 1,2 ns.

To‑laserspeil

Pulsene ble ytterligere konsentrert via en Nikon‑objektivlinse med NA = 1,49, 100X oljebasert immersjonsobjektiv. Denne tilnærmingen integrerte svært dispersive ultrarask speil fra Edmund Optics for å initiere prekompensasjon av dispersjon. I tillegg ble en helium‑neon‑laser (HeNe) brukt for å sikre nøyaktighet. Spesielt sørget denne strålen for at laserbanen var repeterbar.

En balansegang med to‑laser

Presisjonen som kreves for å lage denne nye produksjonsprosessen, krevde at ingeniørene utviklet en ny matematisk modell. Denne modellen gjorde det mulig å kartlegge fotopolymeriseringsreaksjoner på tvers av tilstander. Tidligere ble separate modeller brukt for å beregne den eksiterte tilstanden og påfølgende polymeriseringskinetikk for laserens effekt. Den oppdaterte modellen gjorde det mulig for forskerne å nøyaktig måle den kombinerte effekten av to‑fotons- og enkelt‑fotons‑eksitasjonsprosesser i sanntid. Denne evnen tillot teamet å fastslå de laveste strømforbrukskravene for femtosekundlaseren for å utføre sine oppgaver uten å miste ytelse.

To‑laser testing

Forskerne gikk deretter i gang med å teste deres oppfinnelse på flere design. Disse ulike 2D‑ og 3D‑strukturene ble valgt på grunn av deres kompleksitet og størrelse. Teamet ønsket å sikre at enheten kunne produseres på mikronskala. Derfor var de første gjenstandene de skrev ut detaljerte trehauger som målte 25 × 25 × 10 μm.

Teamet stoppet ikke ved trehaugene. De skrev også ut en mikroskopisk buckyball, en kiral struktur og en trefoil‑knute. Disse formene ble valgt fordi de tillot teamet å demonstrere flere aspekter av forskningen deres. Her er hva testresultatene sier om deres innsats.

Resultater

Testresultatene viste en betydelig forbedring i enheten. Enheten klarte å skrive ut alle enheter med 50 % mindre strøm. Strømnedsparingen ble oppnådd på flere måter. Først reduserte forskerne femtosekundlaserene fra en 800 nm‑enhet til en 530 nm‑laser. Denne endringen økte effektiviteten uten å redusere ytelsen ved bruk av den nye metoden. I tillegg klarte den nye prosessen å oppnå lignende resultater som industristandarden ved å bruke mindre materiale og tid. Spesielt reduserte enkelt‑fotons‑absorpsjon fra en synlig bølgelengde‑laser inhibitor‑konsentrasjonen samtidig som den leverte sammenlignbare resultater.

Enkel integrering

En av de største fordelene med denne studien er at den nye metoden enkelt kan integreres i eksisterende metoder med minimale kostnader. Denne tilnærmingen vil bidra til å redusere kostnader ved å eliminere behovet for at produsenter kjøper nye enheter. I stedet kan deres nåværende oppsett ettermonteres for å bruke den nye kostnadseffektive metoden.

To‑laser‑applikasjoner

Det finnes flere umiddelbare anvendelser for denne teknologien. Additiv produksjon er mer populært enn noen gang, og enhver måte å redusere kostnader og forbedre ytelse på vil garantert få støtte fra sektoren. Her er noen andre anvendelser for denne teknologien.

Mikroelektronikk/robotikk

Den miniatyrskalaen som disse enhetene kan skrive ut på gjør dem ideelle for bruk i mikroelektronikk og robotikk. Disse enhetene er notorisk vanskelige å bygge og har blitt en viktig del av mange industrier. Dermed vil denne nye produksjonsprosessen gjøre det enklere å lage og prototype nye strukturer for bruk i disse enhetene.

Biomedisin

Helsevesenet er et annet felt hvor disse mikrostrukturene og enhetene brukes. Små støttestrukturer og strukturer brukes nå til å konstruere vev og andre bio‑robotiske enheter. Disse enhetene hjelper folk med å komme seg fra skader raskere og nyte en forbedret livskvalitet.

Selskaper som kan dra nytte av denne forskningen i dag

Mange ulike selskaper kan dra nytte av denne forskningen i de kommende årene. Fra biomedisin til militær og industriell bruk, kan mikroaditive produksjonssystemer oppleve forbedret ytelse ved bruk av den nye flerfargede laserutskriftsmetoden. Her er noen selskaper som umiddelbart kan integrere denne teknologien og se resultater.

1. Medtronic

MDT Prisdiagram

Den amerikanske Medtronic er en global leder innen medisinsk utstyr. Produsenten ble grunnlagt i 1949 som en medisinsk reparasjonsvirksomhet. I dag har selskapet flere patenter innen medisinsk teknologi og er ett av de mest anerkjente navnene i bransjen.

Medtronic var en pioner innen pacemaker‑industrien og var en av de første til å patentere en implanterbar enhet. Siden den gang har de forblitt en dominerende kraft i markedet, og fortsetter å introdusere ny teknologi for å forbedre pasienters liv. Integreringen av en to‑farget laserutskriftsmetode ville forbedre deres tilbud betydelig ved å gjøre det mulig å redusere størrelsen på enhetene deres.

Medtronic er en av de mest suksessrike produsentene av medisinsk utstyr i verden. I 2024 sikret selskapet 32 milliarder dollar i inntekter. I dag gjør deres fortsatte innovasjoner og posisjonering dem til et ideelt tillegg i enhver portefølje.

2. Abbott Laboratories

ABT Prisdiagram

Abbott Laboratories (ABT ) har eksistert siden 1888. Det ble grunnlagt i Illinois og vokste raskt til å bli ett av de mest gjenkjennelige navnene i bransjen. Abbott Laboratories tilbyr et utvalg av produkter, inkludert legemidler, medisinsk utstyr, kosttilskudd og ernæringstilskudd.

Abbott Laboratories har produkter som spenner over flere sektorer i den medisinske industrien. Spesielt er de anerkjent for sine kardiovaskulære, diagnostiske, diabetes‑ og nevromoduleringsprodukter. I tillegg driver de noen svært populære datterselskaper, inkludert Pedialyte og Similac, ledende produsenter av babymelk.

Aksjekursen har fortsatt en oppadgående trend for Abbott Laboratories. Selskapets kombinasjon av medisinsk utstyr og ernæringstilbud gjør det til en sterk «hold» for enhver investor. Fremtiden ser lys ut for dette firmaet, som nå spiller en sentral rolle i å levere hjerte‑helseutstyr globalt.

Fremtid

Få industrier har sett så mye innovasjon som innen additive produksjonsmarkedet. Denne siste utviklingen vil bidra til å drive bruken av disse enhetene i miniatyrrobotikk og elektroniske enheter som wearables. I fremtiden vil mikrowearables og implanterbare medisinske enheter få en mer sentral rolle i bransjen. Her er noen andre nylige 3D‑utskriftsfremskritt som kan bidra til å fremme adopsjon.

Rom‑printere

Det har vært nylige utviklinger i rom‑printer‑sektoren. Disse enhetene skiller seg fra sine jordbaserte motparter ved at de må kunne skrive ut lag uten gravitasjonens hjelp. Denne oppgaven er ikke lett å oppnå siden alle nåværende metoder krever en lagdelings‑tilnærming.
Forskerne klarte å overvinne disse problemene ved hjelp av intrikat matematikk og ved å innkapsle enheten. Innkapslingen tjener flere formål, inkludert å beskytte astronautene mot dødelige gasser eller andre uhell som kan sette den svært følsomme atmosfæren i et romfartøy i fare.

AI‑printere

AI‑3D‑printere blir stadig vanligere. Integreringen av avanserte AI‑algoritmer har en gjennomgripende effekt på nesten alle teknologibransjer. I fremtiden vil du kunne be om 3D‑utskrifter enkelt via chat eller tale.
AI fortsetter å tilby en strømlinjeformet måte for folk å overvinne tekniske barrierer. Derfor blir den av mange sett på som en av de viktigste utviklingene i markedet. I fremtiden vil AI‑3D‑utskriftsstasjoner og andre tjenester bli vanlige. For nå fortsetter denne teknologien å forenkle interaksjoner og fjerne tekniske hindringer for nye brukere.

Selvreparerende roboter

Et annet sci‑fi‑scenario som nå er virkelighet, er selvreparerende roboter. Det tok ikke lang tid for forskerne å lage en 3D‑printer som kunne skrive ut alle delene den trengte for å fungere. Nå skal samme konsept brukes i robotikk. Selvreparerende og selvhelbredende roboter vil hjelpe samfunnet i fremtiden ved å ta på seg vanskelige oppgaver og jobber som den gjennomsnittlige personen ikke ville kunne håndtere.

To‑farget laserutskrift er en betydelig oppgradering

Arbeidet disse forskerne har gjort vil ha en gjennomgripende effekt på 3D‑utskriftsindustrien fremover. Du kan forvente å se mer mikro‑robotikk og elektroniske enheter som utnytter denne metoden for å kutte kostnader og forbedre resultater. Dermed har dette teamet lagt grunnlaget for en ny æra innen mikro‑additiv produksjon.

Lær om andre kule additiv produksjons prosjekter nå.