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.

Källa – Optica