Рентгенография позволяет создавать микрометрические объекты за пару секунд.

Новая технология 3D-печати, разработанная в Нью-Йорке, позволяет создавать объекты размером от миллиметра до сантиметра с микрометрическими характеристиками. Она основана на химических реакциях, вызванных пересечением двух световых лучей.

Научное описание рентгенографии как нового метода 3D-печати

Специальные устройства, называемые репликаторами, могут воплощать в реальность твердую материю за считанные секунды. Благодаря достижениям в области материаловедения эти научно-фантастические устройства могут оказаться ближе к реальности, чем мы думаем. Тип 3D-печати, называемый объемным аддитивным производством (volumetric additive manufacturing, VAM), использует свет для быстрого затвердевания объекта в объеме жидкого прекурсора. Согласно статье nature.com “Xolography for linear volumetric 3D printing” о прогрессе VAM, технология позволяет печатать твердые объекты с разрешением до 25 микрометров со скоростью затвердевания до 55 кубических миллиметров в секунду. Авторы называют этот процесс рентгенографией, потому что он использует два пересекающихся (x-ray) световых луча разной длины волны для затвердевания целого объекта (holos — греческое слово, обозначающее целое).

Обычные 3D-принтеры имеют порталы, которые перемещают либо печатающие головки, либо печатаемый объект в трех ортогональных направлениях, чтобы сориентировать сопло принтера в следующем положении для нанесения материала. Однако самые быстрые 3D-принтеры используют свет для индуцирования полимеризации всего слоя жидкого исходного материала за один раз, что позволяет вытягивать твердые объекты из жидкости со скоростью 500 мм в час. Если световой поток и кинетика полимеризации настроены правильно, печатный объект монолитен. VAM устраняет необходимость вытягивать объект из исходного материала,упрощая механику процесса и позволяя еще быстрее производить изготовление.

Объемное аддитивное производство также дает возможность производить детали более высокого качества, чем это возможно с помощью других методов, и устраняет необходимость печатать опорные конструкции для объекта, которые затем должны быть удалены после печати.

Предыдущие варианты VAM включали двухфотонную фотополимеризацию (two-photon photopolymerization, TPP) и компьютерную аксиальную литографию (computed axial lithography, CAL).

В TPP фемтосекундные лазерные импульсы (1 фемтосекунда составляет 10_-15 секунд) используются для полимеризации наноразмерных строительных блоков, которые могут быть слоистыми для изготовления микроструктур. TPP работает медленно, со скоростью печати всего 1-20 кубических миллиметров в час, и обычно используется для создания объектов миллиметрового масштаба, но он может печатать объекты с разрешением 100 нанометров.

В противоположность этому, CAL сконцентрирован на другом направлении, обеспечивая высокоскоростное затвердевание объектов сантиметрового масштаба. В CAL изображения проецируются под разными углами вокруг вращающегося объема жидкого материала с использованием алгоритмов управления кумулятивной экспозицией света в различных вокселях (voxels, 3D-пиксели). Это делается совместно с системой, которая использует растворенный кислород, чтобы предотвратить нежелательную полимеризацию свободных радикалов, поэтому затвердевают только те объемы, которые представляют интерес. CAL может достигать размеров деталей 100 микрометров и изготавливать детали сантиметрового размера всего за несколько секунд, но это требует компьютерной оптимизации с использованием системы обратной связи, что увеличивает стоимость оборудования и общее время печати.

Мартин Реджели (Martin Regehly) и его коллеги из Writing and Nature (Нью-Йорк) сообщают о новом химическом методе для инициирования полимеризации в VAM, которая лучше контролирует объем жидкости, где происходит инициирование и полимеризация. Их метод увеличивает разрешение до десяти раз по сравнению с ранее описанными макроскопическими методами VAM без потери скорости печати.

Процесс рентгенографии работает следующим образом. Прямоугольный лист заданной толщины пропускается через объем вязкой смолы (рис. 1). Длина волны света выбирается для возбуждения молекул, известных как двухцветные фотоинициаторы (dual-colour photoinitiators, DCPI), растворенных в смоле, путем расщепления молекулярного кольца; эта реакция происходит только внутри светового слоя.

На рис. 1 показано, как прямоугольный световой слой (синий) проходит через объем вязкой смолы и активирует DCPI, растворенные в смоле. Второй луч света (красный) затем проецирует изображение среза объекта для печати в плоскость светового листа. Длина волны второго луча отличается от длины волны первого и заставляет любой активированный фотоинициатор DCPI инициировать полимеризацию смолы, затвердевая смолу там, где пересекаются две длины волн света. Затем слой перемещается в новое положение, захватывая новый объем смолы, и процесс начинается снова, создавая объект срез за срезом.

Второй луч света проецирует изображение среза 3D-объекта для печати в плоскость светового листа. Длина волны второго луча отличается от длины волны первого и заставляет любые возбужденные молекулы DCPI инициировать полимеризацию смолы, заставляя срез затвердевать. Далее объем смолы смещается относительно фиксированного светового слоя. Это изменяет положение светового листа в смоле, так что процессы активации и инициации могут начаться снова в новом положении, тем самым создавая объект срез за срезом.

Авторы продемонстрировали эффективность своего метода, напечатав шарик, захваченный в качестве свободного объекта в сферической клетке диаметром 8 мм (рис. 2). Используя обычную послойную 3D-печать, шар должен был быть напечатан с опорами, соединяющими его с клеткой, и впоследствии их было бы трудно удалить. Высокое разрешение, обеспечиваемое рентгенографией, печатать механические системы, такие как лопасти, которые могут вращаться на оси в потоке жидкости или воздуха, без вспомогательных элементов.

Рис. 2. Сложный объект, полученный методом рентгенографии.

Реджели и его коллеги использовали рентгенографию для печати нескольких сложных объектов с высоким разрешением, включая шар в качестве свободного объекта в сферическом пространстве. Подобное часто трудно печатать непосредственно с помощью обычных процессов 3D-печати. Размер области печати— 8 миллиметров.

В еще более амбициозной демонстрации Реджели и др. используют рентгенографию для печати асферической линзы Пауэлла — тип линзы, используемый для преобразования лазерных лучей в прямые, однородные линии света. В воздухе линза вытянула узкий зеленый лазерный луч в проекцию прямой линии. Оптические свойства линзы показывают, что структура печатного материала удивительно однородна и свободна от дефектов. Наконец, авторы напечатали очень детализированный бюст человека размером 3 см с точно определенными внутренними анатомическими особенностями, такими как выдолбленный носовой ход и пищевод.

В настоящее время основным ограничением рентгенографии является объем, который может быть напечатан, поскольку он ограничен расстоянием, на которое световые лучи могут проникнуть в смолу. Кроме того, поскольку метод требует перемещения объема смолы, объекты с большими размерами в направлении движения будут занимать пропорционально больше времени, чем обладающие меньшими размерами. И хотя описанный химический метод позволяет печатать с высоким разрешением, он также имеет соответствующие ограничения по материалам, которые могут быть использованы для рентгенографии.

Как печатать несколько элементов из нескольких материалов за один сеанс

Несмотря на все ограничения, будущее открывает много возможностей для рентгенографии и других технологий VAM в целом. Методы, аналогичные тем, которые были впервые применены для цифровой обработки света (digital light processing, DLP, обычный метод послойной 3D-печати, в котором затвердевание инициируется светом), теперь могут быть применены к VAM. Например, освещение в оттенках серого может использоваться для создания объектов с градиентами жесткости. Это нашло бы много вариантов применения, таких как создание интерфейсов между различными 3D-печатными компонентами, а также в необычных инженерных механизмах, таких как “живые шарниры” (гибкие соединения, сформированные из того же материала, что и жесткие части, которые они соединяют).

Regehly и соавторы утверждают, что разрешение и скорость генерации объема рентгенографии могут быть улучшены за счет использования более совершенных оптических систем, таких как более мощные лазеры. В то же время, есть определенные сложности и задачи, характерные для всех систем VAM, такие как увеличение объемов печати с кубических сантиметров до кубических метров и поиск более оптимальных способов использования нескольких материалов в одном сеансе печати.

Появление увеличенных скоростей печати и новых материалов позволило использовать метод DLP, например, для массовой кастомизации подошв для кроссовок в рамках процесса разработки модели. Подобные результаты, достижимые с помощью VAM и рентгенографии, дают возможность массового производства коммерческих продуктов. Прочие варианты применения, которые еще не доступны с помощью традиционной 3D-печати, наверняка проявят себя в ближайшее время. Как показывает работа Реджели и его коллег, сейчас идеальное время для развития подобных технологий.

About capweb_admin