Tillgängligheten för 3D-utskrift förbättras med nya tvålasertekniker som ska sänka kostnaderna

En grupp innovativa forskare upptäckte ett sätt att minska 3D-utskriftskostnaderna och förbättra prestandan via en ny tvålaserskrivningsmetod. Purdue University‑teamet publicerade en detaljerad studie av sina fynd i den vetenskapliga tidskriften Optics Express. Studien går in på detaljerna i en avancerad tvåfärgslasertillverkningsteknik som förbättrar den nuvarande tvåfotonpolymeriseringsmodellen. Här är allt du behöver veta.

Dagens additiva tillverkningsprocesser

För att fullt ut förstå betydelsen av denna studie är det klokt att ta en snabb titt på utvecklingen av den additiva tillverkningsprocessen. Begreppet 3D-utskrift har varit en spännande resa som ibland liknar science fiction. Dessa enheter har gått från serietidningar till att bli en av de mest populära, och ofta den enda, metoderna för att skapa vissa enheter.

Materialextrudering

De första 3D-skrivarna använde en metod som kallas materialextrudering. ett uppvärmt munstycke fick en lång spole av termoplastfilament matas igenom. Filamentet värmdes upp tills det blev formbart och applicerades sedan i lager för att bilda den önskade formen. Denna 3D-skrivartyp är det mest prisvärda och mest använda alternativet idag.

Pulverbädd

Pulverbädds-3D-skrivare används för att skapa metall- och keramikföremål. Denna metod integrerar en pulverbädd och en bläckstråleskrivare som sprutar ett bindemedel. Detta material bygger föremålet lager för lager och kan skapa intrikata 3D‑designer. Nyliga utvecklingar inom detta tillvägagångssätt har gjort det möjligt att skriva ut flera material och till och med elektronik.

Smältdeposition

Smältdeposition använder ett termoplastfilament som deponeras med materialextruderingsmetoder. Därefter används laser för att forma och låsa föremålets form på plats med stor precision. Noterbart är att användningen av laser inom additiv tillverkning är vanlig, med den första användningen av stereolitografi (SLA) som skedde 1984.

Tvåfotonpolymerisation (TPP)

Idag är tvåfotonpolymerisation (TPP) den mest använda metoden för mikron‑skala industriella utskrifter. Metoden bygger på två femtosekundslasrar som kan forma, härda och solidifiera specialbyggda kompositer. Den ger hög noggrannhet och är en beprövad metod för att skapa mikrostrukturer och andra små detaljerade enheter som skulle vara omöjliga att tillverka med andra metoder.

Problem med detta tillvägagångssätt

Flera problem med TPP‑metoden fick forskare att söka alternativa lösningar. För det första är femtosekundslasrar mycket dyra, känsliga och kräver hög precision. Den minsta förändring kan leda till att dessa enheter kräver omfattande underhåll.

Forskare

Genom att erkänna dessa ineffektiviteter i uppsättningen har forskare ledda av Purdue University‑ingenjören Xianfan Xu sammanställt ett nytt flerskiktsförfarande som lovar att minska kostnaderna. För att genomföra detta behövde teamet övervinna en rad hinder, från laserinterferens till avstämning. Så här lyckades de övervinna oddsen och skapa en helt ny tillverkningsprocess som har potential att förändra marknaden.

Tvålaserstudie

Studien “Two-color 3D printing for reduction in femtosecond laser printing power” undersöker användningen av en lägre kraftlaser för att hantera vissa uppgifter som tidigare krävde två femtosekundsenheter. För att uppnå detta skapade teamet en skräddarsydd tvåfotonlitografisystem. Denna anordning inkluderar en sekundär laserbana till utskriftsplanet, vilket möjliggör för forskarna att samla värdefull realtidsdata om laserens effekter.

Steg 1 – Förbered materialet

Det första steget forskarna tog var att föra materialet genom en fotokemisk process. Denna process hjälper till att sänka inhiberingsämnena i materialet, vilket gör det mer formbart för de lasrar som används för formning och härdning. På så sätt möjliggjorde detta extra steg att forskarna kunde eliminera användningen av dubbla femtosekundslasrar.

Lågt kostnadslaser

Den nya processen gjorde det möjligt för forskarna att utnyttja ett billigare alternativ för de första laserinteraktionerna. Teamet eliminerade en femtosekundsenhet och ersatte den med ett synligt ljusalternativ som samarbetade med den högkraftiga enheten. Denna lågt kostnadslaser justerades för att komplettera femtosekundslasern utan att skapa interferens.

Femtosekundlaser

Den femtosekundlaser som valdes för testet var en 532 nm nanosekund (ns) pulserad fiberlaser från MPB Communications Inc. Enheten erbjuder hög justerbarhet, vilket gjorde det möjligt för teamet att prova olika repetitionsfrekvenser. Teamet bestämde sig slutligen för en repetitionsfrekvens på 80 MHz med en pulsbredde på 1,2 ns.

Tvålaserspeglar

Pulserna koncentrerades ytterligare via ett Nikon, NA = 1,49 100X oljemättad objektiv. Detta tillvägagångssätt integrerade högdispersiva ultrafasta speglar från Edmund Optics som ett sätt att initiera förkompenseringsdispersion. Dessutom användes en helium‑neon (HeNe) laser för att säkerställa noggrannhet. Specifikt säkerställde denna stråle att laserbanan var repeterbar.

En avvägning med tvålaser

Den precision som krävdes för att skapa denna nya tillverkningsprocess tvingade ingenjörer att utveckla en ny matematisk modell. Denna modell möjliggjorde kartläggning av fotopolymerisationsreaktioner över olika tillstånd. Tidigare användes separata modeller för att beräkna det exciterade tillståndet och den efterföljande polymerisationskinetiken för lasern.
Den uppdaterade modellen gjorde det möjligt för forskarna att exakt mäta den kombinerade effekten av tvåfoton- och enkel-fotonexciteringsprocesser i realtid. Denna förmåga tillät teamet att fastställa de lägsta effektförbrukningskraven för femtosekundlasern för att utföra sina uppgifter utan att förlora prestanda.

Tvålasertestning

Forskarna gick sedan vidare med att testa sin skapelse på flera designer. Dessa olika 2D‑ och 3D‑strukturer valdes på grund av deras komplexitet och storlek. Teamet ville säkerställa att deras enhet kunde skapas på mikronskala. Därför var de första föremålen de skrev ut detaljerade trähögar som mätte 25 × 25 × 10 μm.

Teamet stoppade inte vid trähögarna. De skrev också ut en mikroskopisk buckyball, en kiral struktur och en trefoil‑knut. Dessa former valdes eftersom de gjorde det möjligt för teamet att demonstrera flera aspekter av deras forskning. Här är vad testresultaten säger om deras insatser.

Resultat

Testresultaten visade en betydande förbättring i enheten. Enheten kunde skriva ut alla enheter med 50 % mindre effekt. Effektminskningen uppnåddes på flera sätt. Först reducerade forskarna femtosekundlasrarna från en 800 nm‑enhet till en 530 nm‑laser. Denna förändring ökade effektiviteten utan att minska prestanda med den nya metoden.
Dessutom kunde den nya processen producera liknande resultat som industristandarden med mindre material och tid. Specifikt minskade enkel‑fotonabsorptionen från en synlig våglängdslaser inhibitorkoncentrationen samtidigt som den levererade jämförbara resultat.

Enkel integration

En av de största fördelarna med denna studie är att den nya metoden enkelt kan integreras i befintliga metoder med minimala kostnader. Detta tillvägagångssätt skulle hjälpa till att minska kostnaderna genom att eliminera behovet för tillverkare att köpa nya enheter. Istället kan deras nuvarande uppsättningar eftermonteras för att använda den nya lågt kostnadsmetoden.

Tvålaserapplikationer

Det finns flera omedelbara tillämpningar för denna teknik. Additiv tillverkning är mer populär än någonsin, och varje sätt att minska kostnader och förbättra prestanda kommer säkert att få stöd från sektorn. Här är några andra tillämpningar för denna teknik.

Mikroelektronik/robotik

Den miniatyrskala på vilken dessa enheter kan skriva ut gör dem idealiska för användning i mikroelektronik och robotik. Dessa enheter är notoriskt svåra att bygga och har blivit en vital del av många industrier. Därför skulle denna nya tillverkningsprocess göra det enklare att skapa och prototypa nya strukturer för användning i dessa enheter.

Biomedicin

Hälsovård är ett annat område där dessa mikrostrukturer och enheter används. Små scaffoldar och strukturer används nu för att konstruera vävnad och andra bio‑robotiska enheter. Dessa enheter hjälper människor att återhämta sig från skador snabbare och njuta av en förbättrad livskvalitet.

Företag som kan dra nytta av denna forskning idag

Många olika företag kan dra nytta av denna forskning under de kommande åren. Från biomedicin till militär och industriell användning kan mikroaditiva tillverkningssystem se förbättrad prestanda med den nya flerfärgslaserutskriftmetoden. Här är några företag som omedelbart kan integrera denna teknik och se resultat.

1. Medtronic

MDT Prisdiagram

Medtronic, baserat i USA, är en global ledare inom medicinteknik. Tillverkaren grundades 1949 som en medicinsk reparationsanläggning. Idag innehar företaget flera patent inom medicinsk teknik och är ett av de mest igenkännliga namnen i branschen.

Medtronic var en pionjär inom pacemakermarknaden och var en av de första att patentera en implanterbar enhet. Sedan dess har de förblivit en dominerande kraft på marknaden och fortsätter att introducera ny teknik för att förbättra patienters liv. Integreringen av en tvåfärgslaserutskriftmetod skulle förbättra deras erbjudanden avsevärt genom att möjliggöra minskning av storleken på deras enheter.

Medtronic är en av de mest framgångsrika medicinteknikstillverkarna i världen. År 2024 säkrade företaget 32  miljarder dollar i intäkter. Idag gör deras fortsatta innovationer och positionering dem till ett idealiskt tillskott till vilken portfölj som helst.

2. Abbott Laboratories

ABT Prisdiagram

Abbott Laboratories (ABT ) har funnits sedan 1888. Det grundades i Illinois och växte snabbt till ett av de mest igenkännliga namnen i branschen. Abbott Laboratories erbjuder ett urval av produkter, inklusive läkemedel, medicintekniska produkter, kosttillskott och näringstillskott.

Abbott Laboratories har produkter som sträcker sig över flera sektorer inom den medicinska industrin. Specifikt är de kända för sina kardiovaskulära, diagnostiska, diabetes‑ och neuromodulationsprodukter. Dessutom driver de några mycket populära dotterbolag inklusive Pedialyte och Similac, ledande tillverkare av barnmat.

Aktieprestationen har fortsatt att stiga för Abbott Laboratories. Företagets kombination av medicintekniska produkter och näringsutbud gör det till ett starkt “hold” för varje investerare. Framtiden ser ljus ut för detta företag som nu spelar en avgörande roll i att tillhandahålla hjärtvårdsprodukter globalt.

Framtid

Få industrier har sett sådan innovation som den additiva tillverkningsmarknaden. Den senaste utvecklingen kommer att driva användningen av dessa enheter i miniatyrrobotik och elektroniska enheter såsom wearables. I framtiden kommer mikrowearables och implanterbara medicinska enheter att spela en mer central roll inom industrin. Här är några andra nyliga 3D‑utskriftsframsteg som kan hjälpa till att driva adoptionen.

Rymdutskrifter

Det har nyligen skett utvecklingar inom rymdutskriftsektorn. Dessa enheter skiljer sig från sina jordbaserade motsvarigheter genom att de måste kunna skriva ut lager utan gravitationens hjälp. Detta är ingen enkel uppgift eftersom alla nuvarande metoder kräver ett lagerläggningsförfarande.
Forskare kunde övervinna dessa problem genom intrikat matematik och genom att omsluta enheten. Omslutningen tjänar flera syften, inklusive att skydda astronauterna från dödliga ångor eller andra missöden som kan äventyra den mycket känsliga atmosfären i ett rymdfarkost.

AI‑skrivare

AI‑3D‑skrivare blir allt vanligare. Integreringen av avancerade AI‑algoritmer har en genomslagseffekt på nästan alla teknikindustrier. I framtiden kommer du kunna beställa 3D‑utskrifter helt enkelt via chatt eller röst.
AI fortsätter att erbjuda ett förenklat sätt för människor att övervinna tekniska hinder. Därför ses det av många som en av de viktigaste utvecklingarna på marknaden. I framtiden kommer AI‑3D‑skrivstationer och andra tjänster att bli vanliga. För närvarande fortsätter denna teknik att förenkla interaktioner och avlägsna tekniska hinder för nya användare.

Självreparerande robotar

Ett annat sci‑fi‑scenario som blivit verklighet är självreparerande robotar. Det tog inte lång tid för forskare att skapa en 3D‑skrivare som kunde skriva ut alla delar den behövde för att fungera. Nu ska samma koncept tillämpas på robotik. Självläkande och reparerande robotar kommer att hjälpa samhället att fungera i framtiden, genom att ta på sig tunga uppgifter och jobb som den genomsnittliga personen inte skulle kunna hantera.

Tvåfärgslaserutskrift är en stor uppgradering

Det arbete som dessa forskare har lagt ner kommer att ha en genomslagskraft på 3D‑utskriftsindustrin framöver. Du kan förvänta dig att se fler mikro‑robotar och elektroniska enheter som utnyttjar denna metod som ett sätt att minska kostnader och förbättra resultat. På så sätt har detta team lagt grunden för en ny era inom mikro‑additiv tillverkning.

Lär dig mer om andra coola additiva tillverkning projekt nu.