«Комбинирование нескольких видов материалов может быть использовано для создания функции, которая не может быть реализована с помощью одного материала», – сказал руководитель исследовательской группы Сёдзи Маруо из Йокогамского национального университета в Японии. «Такие методы, как наш, которые позволяют производить одностадийные конструкции из нескольких материалов, исключают сборочные процессы, что позволяет изготавливать устройства с высокой точностью и низкой стоимостью."
В журнале The Optical Society (OSA) Optical Materials Express Маруо и его коллеги описывают свой новый метод 3D-печати и демонстрируют его, создавая различные многоцветные 3D-структуры.
Их техника основана на стереолитографии, методе 3D-печати, который идеально подходит для изготовления микроустройств, поскольку в нем используется сильно сфокусированный лазерный луч для создания сложных деталей.
«Возможность изготавливать многоматериальные оптические элементы микромасштаба с помощью 3D-печати может помочь в миниатюризации оптических устройств, используемых для лечения и диагностики», – сказал Маруо. "Это могло бы улучшить возможность использования этих устройств на теле или на теле, а также сделать их одноразовыми, что поможет поставить передовую и безопасную медицинскую диагностику."
Оптимизация цветовой стереолитографии
Стереолитография создает высокоточную трехмерную структуру за счет использования лазера для упрочнения активируемых светом материалов, известных как фотоотверждаемые смолы, послойно.
Микрогидравлические средства часто используются для удержания жидких смол, но сложно предотвратить загрязнение разных смол друг друга при смене материалов без образования большого количества отходов или образования пузырьков воздуха на печатном объекте.
В новой работе исследователи разработали способ удерживать различные материалы в виде капель, что позволяет легче обмениваться ими в замкнутом пространстве, таком как микроканал, без образования отходов. Чтобы подавить пузырьки воздуха, 3D-печатная структура перемещается внутри смолы каждый раз, когда смола заменяется.
Они также интегрировали двухэтапный процесс очистки 3D-печатной структуры при замене смол, чтобы полностью предотвратить перекрестное загрязнение.
Чтобы реализовать этот оптимизированный подход, исследователи создали поддон для хранения нескольких смол и разместили его, два чистящих резервуара и сопло для продувки воздуха на моторизованном столике. «Все процессы, включая 3D-печать, замену смолы, удаление пузырьков и очистку, последовательно выполняются с использованием программного обеспечения, которое мы разработали», – сказал Маруо. "Это позволяет автоматически создавать многоцветные трехмерные микроструктуры."
Создание многоцветных 3D-структур
Исследователи протестировали этот подход, поместив различные типы фотоотверждаемых смол в палитру и используя их для создания трехмерных микроструктур. Для одной из этих демонстрационных структур крошечный разноцветный куб всего за 1.5 миллиметров в диаметре, система 3D-печати поменяла пять цветов смолы 250 раз в течение 6-часового процесса изготовления. Исследователи также показали, что регулировка количества слоев многоцветных смол позволяет регулировать оптическую плотность каждой части структуры, позволяя создавать микроструктуры с такими цветами, как черный, путем комбинирования слоев красного, синего, зеленого и желтого цветов.
«Этот метод можно применять не только к разноцветным смолам, но и к более широкому спектру материалов», – сказал Маруо. «Например, смешивание различных керамических микро- или наночастиц с фотоотверждаемой смолой может быть использовано для 3D-печати различных типов стекла. Его также можно использовать с биосовместимыми керамическими материалами для создания каркасов для регенерации костей и зубов."
В настоящее время исследователи работают над сокращением времени, необходимого для таких процессов, как замена смолы и удаление пузырьков, чтобы обеспечить еще более быстрое изготовление.
Они также планируют использовать технологию, которую они ранее продемонстрировали, для создания многомасштабной производственной системы, в которой разрешение изготовления может быть изменено с менее микрометра до нескольких десятков микрометров путем изменения фокусирующей линзы и условий лазерного воздействия.