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.

Kilde – Optica