Достижение равномерной усадки наноструктур, напечатанных на 3D-принтере.

3D-печать меняет производство сложных конструкций в больших масштабах, затрагивая все: от жилья до слуховых аппаратов.

В микро- и наномасштабах двухфотонная полимеразная литография (TPL) позволяет точно конструировать объекты. Этот процесс имеет широкое применение во всех отраслях промышленности, от медицины до производства, благодаря его способности достигать микроскопической точности в творениях.

TPL демонстрирует многообещающие применения в вычислениях и коммуникациях, способствуя созданию инновационных оптических материалов, таких как фотонные кристаллы, которые способны по-разному обрабатывать свет.

Однако реализация их полного потенциала сталкивается с препятствиями, в первую очередь связанными с достижением равномерного сжатия и размеров, меньших длины волны видимого света. Этот точный контроль имеет решающее значение для усовершенствованной обработки света и остается серьезной проблемой, которую необходимо преодолеть.

Чтобы устранить это препятствие, профессор Джоэл Янг, возглавляющий команду университетского факультета разработки инженерной продукции, решил устранить это препятствие. Сингапурский университет технологий и дизайна (SUTD) в сотрудничестве со специалистами Центра промышленных технологий префектуры Вакаяма в Японии.

Вместе они создали новую технологию, целью которой является достижение равномерной усадки 3D-печатных структур во время термообработки. Этот метод представляет собой крупный шаг вперед в расширении применения TPL для создания исключительно мелких наноразмерных элементов.

Исследование было опубликовано в Природные коммуникации.

Ученые использовали слой поливинилового спирта или ПВА на подложке для печати, чтобы смыть 3D-напечатанные детали и перенести их на отдельную подложку, тем самым обеспечивая контролируемое и равномерное уменьшение 3D-напечатанных деталей. Неплотное крепление новой подложки позволяет основанию конструкции скользить, поскольку вся 3D-печать равномерно сжимается во время нагрева.

Проблема неравномерной усадки, возникающей в результате прилипания структуры к поверхности, на которой она напечатана, решается с помощью простого и эффективного подхода. Открылась возможность переноса микроскопических деталей, напечатанных на 3D-принтере, для интеграции с другими устройствами или на подложки, подходящие для TPL.

Точно так же, как дождевые черви расширяются и сжимаются, перемещаясь по поверхности, мы подумали, что сможем позволить нашим трехмерным структурам «скользить» до меньших размеров, не искажая их..

Джоэл К.В. Янг, автор книги «Разработка инженерной продукции», Сингапурский университет технологии и дизайна

На разработку этой инновационной технологии Ян был вдохновлен природой.

Сложная геометрия талисмана префектуры Вакаяма с его различными изгибами, выпуклостями и провалами сделала его идеальным объектом для демонстрации эффективности нашей технологии. Успешная равномерная усадка такой подробной модели указывает на то, что наш метод можно адаптировать к любой форме, независимо от ее формы или жесткости платформы, на которой она размещена..

Томохиро Мори, первый автор и приглашенный исследователь, Центр промышленных технологий префектуры Вакаяма

Их метод позволяет изготавливать сложные детализированные конструкции, которые превосходят ограничения, присущие их печатному оборудованию. Это достижение превосходит предыдущие ограничения, связанные с точностью и жесткостью материала, обычно присущими объектам, напечатанным на 3D-принтере.

Используя этот метод усадки, исследователи могут улучшить характеристики 3D-печатных структур, чтобы они могли выполнять новые функции, например выступать в качестве визуальных индикаторов, отображая структурные цвета. Важно отметить, что эти цвета возникают из-за внутренней структуры материала, а не из-за пигментов. По мере того как структура уменьшается в размерах, ее взаимодействие со светом претерпевает изменения, которые меняют ее внешний вид.

Это придает материалам различные функции.

Например, включение в структуры специфических молекул, называемых хромофорами, которые чувствительны к различным типам света, может позволить нам создавать материалы, которые меняют цвет в ответ на определенные условия освещения. Это имеет практическое применение в борьбе с подделками, поскольку подлинность предметов можно проверить благодаря характерным структурным цветам и эмиссионным свойствам этих материалов..

Джоэл К.В. Янг, автор книги «Разработка инженерной продукции», Сингапурский университет технологии и дизайна

Метод, разработанный исследователями, находит применение в таких отраслях, как электроника, где его можно использовать для изготовления сложных радиаторов, необходимых для охлаждения высокопроизводительных устройств, таких как современные графические процессоры и центральные процессоры.

Постоянное сокращение количества печатных компонентов также позволяет применять их в областях, требующих высокоточного структурирования материалов, таких как механические детали со сложной геометрией, оптические элементы с точными возможностями управления светом и акустические устройства, которые могут контролировать звук с высокой точностью.

Заглядывая в будущее, ученые планируют расширить применение своего метода за пределы нынешних полимерных смол, используемых в исследованиях. Ученые стремятся производить более эффективные фотонные кристаллы, которые могли бы улучшить методологии, используемые в лазерах, системах визуализации и оптических датчиках, применяя свой метод к материалам с более высокими показателями преломления.

Кроме того, команда также работает над улучшением контроля расстояния в печатных конструкциях для создания полноцветных 3D-моделей, которые могут точно контролировать обработку света.

Их усилия включают транспортировку и точное размещение этих структур на огромных территориях или в больших количествах, сохраняя при этом точную точность, необходимую для этих передовых приложений.

Ссылка на журнал:

Мори, Т., и другие. (2023). Процесс захвата и размещения для равномерной усадки микро- и нано-материалов для 3D-печати. Природные коммуникации. doi/s41467-023-41535-9

источник: https://www.sutd.edu.sg/