Двоколірне опромінення зробило 3D-друк безперервним

Німецькі інженери розробили 3D-принтер для об'ємного друку. У ньому використовується два джерела світла з різними довжинами хвиль, розташовані перпендикулярно один одному: плоске джерело переводить молекули в шарі рідкого полімерного прекурсора в активний стан, а проектор викликає полімерізацію цього шару, причому тільки в потрібних областях. Це значно прискорює процес друку, а також дозволяє друкувати об'єкти з окремими внутрішніми включеннями, наприклад, сферу з кулею всередині. Стаття з описом методу і прототипу принтера опублікована в, а опис комерційного принтера опубліковано на сайті компанії Xolo, в якій працює частина авторів.

Класичні 3D-принтери, що працюють методом післяйного наплавлення або лазерної стереолітиографії, створюють об'єкти окремими шарами, причому всередині шару друкуюча головка або лазерний промінь ковзає вздовж поверхні і створює тверді ділянки. Цей процес займає багато часу, тому інженери почали вдосконалювати методи, щоб прискорити роботу всередині одного шару, в основному це торкнулося методів для роботи з рідкими фотовідверджуваними матеріалами. Найпростіший метод, який прискорює процес друку, полягає в тому, що промінь не ковзає по поверхні рідини, проходячи одну сходинку за іншою, а відразу подається на всю поверхню через рідкокристалічний трафарет. В останні роки також стали з'являтися методи, що дозволяють друкувати відразу за всім обсягом. Їх можна розділити на два типи. В одному світло подається відразу з трьох сторін і на перетині променів відбувається ствердування. В іншому застосовується томографічний принцип, при якому використовується лише один проектор, а перед ним стоїть кювета з рідким прекурсором, що обертається. Суперпозиція проекцій дозволяє створювати з потрібних областях рідини заданий рівень опромінення і відтверджувати їх.

Томографічний метод дозволяє надрукувати весь предмет сантиметрового масштабу приблизно за хвилину, але через коливання освітлення, викликані обертанням, точність друку становить сотні мікрометрів - менше, ніж у інших світлових методів 3D-друку. Німецькі інженери під керівництвом Мартіна Рігелі (Martin Regehly) з Бранденбурзького університету прикладних наук і Штефана Хекта (Stefan Hecht) з Берлінського університету Гумбольдта розробили метод, що дозволяє швидко і безперервно друкувати об'єкти за допомогою опромінення, але має більшу роздільну здатність - на рівні десятків мікрометрів.

В основі нового методу друку лежить більш ранній метод двоцвітової фотополімеризації. У ньому використовується фотоініціатор, сприйнятливий до двох довжин хвиль: при опроміненні світлом однієї довжиною хвилі він переходить в короткоживучий активований стан, а при опроміненні другий ініціює полімерізацію прекурсора. У конструкції нового принтера для кожної з довжин хвиль використовується своє джерело. Для того щоб активація фотоініціатора в кожній точці рідини відбувалася лише один раз, інженери використовували лазерне джерело ультрафіолетового випромінювання довжиною 375 нанометрів, світло від якого за допомогою оптичної схеми «розтягується» до лінії висотою з робочу область принтера. Під час друку прозора кювета з прекурсором рухається вздовж цієї лінії в одному напрямку, тому активація для кожної молекули фотоініціатора відбувається лише один раз.

З перпендикулярного боку встановлено проектор з роздільною здатністю 3840 на 2160 пікселів і розміром пікселя в площині ультрафіолетової смуги від лазера 21 на 21 мікрометр. Він вивчає світло з піковою інтенсивністю на довжині хвилі 550 нанометрів, яка збігається з піком поглинання активованого фотоініціатора.

Під час друку лазер створює опромінювану ультрафіолетом площину, що активує фотоініціалізатор, проектор фокусує в цій площині шар 3D-моделі, кювета поступово рухається і проектор виводить нові шари. Після цього в кюветі залишається рідкий прекурсор і тверда 3D-модель.

Тести показали, що швидкість друку становить 55 кубічних міліметрів на секунду або приблизно одна хвилина на кювету шириною в сантиметр. Дозвіл друку на тестових зразках склав 25 мікрометрів в площині ультрафіолетового опромінення і 50 мікрометрів в перпендикулярному їй напрямку.

Разом зі статтею про метод друку, частина авторів, які заснували компанію Xolo, представили комерційний принтер, що використовує його на практиці. Його робоча область становить 50 на 70 на 90 міліметрів, а дозвіл у площині знижено з 25 мікрометрів до 30. Поки компанія лише приймає замовлення на пристрій, але не оголошує ціну або дату початку продажів.

Ми розповідаємо і про прогрес у звичайних методах 3D-друку та їх застосування. Наприклад, нещодавно одна група інженерів навчилася друкувати однією друкуючою головкою філаментами різних кольорів, а інша розробила метод друку тенсегріті-конструкцій, які було б складно зібрати вручну.