Достижение равномерной усадки наноразмерных структур, напечатанных на 3D-принтере

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

Двухфотонная полимеризационная литография (TPL) на микро- и наноуровне позволяет тщательно создавать объекты. Этот процесс имеет огромное значение во всех отраслях, от медицины до производства, благодаря его способности достигать микроскопической точности в творениях.

TPL демонстрирует многообещающие применения в области вычислений и связи, способствуя созданию инновационных оптических материалов, таких как фотонные кристаллы, способных по-разному манипулировать светом.

Тем не менее, реализация его полного потенциала сталкивается с препятствиями, в первую очередь сосредоточенными на достижении равномерной усадки и размеров элементов, меньших длины волны видимого света. Этот точный контроль имеет решающее значение для сложных манипуляций со светом и остается серьезной проблемой, которую необходимо преодолеть.

Чтобы преодолеть это препятствие, профессор Джоэл Янг, возглавляющий группу отдела разработки инженерных продуктов в Сингапурский университет технологий и дизайна (SUTD) сотрудничал со специалистами Центра промышленных технологий префектуры Вакаяма в Японии.

Вместе они разработали новую технику, направленную на достижение равномерной усадки 3D-печатных структур во время термообработки. Этот метод представляет собой значительный прогресс в расширении применения TPL для создания исключительно точных наноразмерных элементов.

Исследование было опубликовано в Природные коммуникации.

Ученые нанесли слой поливинилового спирта или ПВА на подложку для печати, чтобы облегчить смывку напечатанных на 3D-принтере деталей и перемещение их на отдельную подложку, тем самым обеспечивая контролируемое и равномерное уменьшение напечатанных на 3D-принтере деталей. Свободное крепление к новой подложке позволяет основанию структур скользить, а вся 3D-печать равномерно сжимается при нагревании.

Проблема неравномерной усадки, вызванная прикреплением структуры к поверхности, на которой она была напечатана, решается простым и эффективным подходом. Разблокирована 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 растягиваются и сжимаются при перемещении по поверхности, мы верили, что сможем позволить нашим трехмерным структурам «скользить» до меньших размеров без искажений..

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

Для разработки этой инновационной техники Ян черпал вдохновение в природе.

Сложная геометрия талисмана префектуры Вакаяма с его различными изгибами, выпуклостями и провалами сделала его идеальным объектом для демонстрации эффективности нашей техники. Успешная равномерная усадка столь подробной модели предполагает, что наш метод можно адаптировать для любой формы, независимо от ее формы или прочности 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. Этот прорыв превосходит прежние ограничения, связанные с разрешением и жесткостью материала, обычно связанные с объектами, напечатанными на 3D-принтере.

Используя эту технику сжатия, исследователи могут улучшить характеристики 3D-печатных структур, чтобы они могли выполнять новые функции, например служить визуальными индикаторами, демонстрируя структурные цвета. Важно отметить, что эти цвета обусловлены внутренней структурой материала, а не красителями. По мере того как структура уменьшается в размерах, ее взаимодействие со светом претерпевает изменения, которые меняют ее внешний вид.

Это наделяет материалы различными функциями.

Например, включение в структуры определенных 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, где подлинность предметов можно проверить по различным 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 процессоры.

Постоянное сокращение количества печатных компонентов также позволяет применять их в областях, требующих высокой точности структурирования материалов, таких как механические детали со сложной геометрией, оптические элементы с возможностью точного манипулирования светом и акустические устройства, которые могут управлять звуком с высокой точностью.

Заглядывая в будущее, ученые планируют расширить применение своего метода за пределы нынешних полимерных смол, используемых в исследованиях. Ученые стремятся создать более эффективные фотонные кристаллы, которые могли бы улучшить методологии лазеров, систем визуализации и оптических датчиков, применяя их метод к материалам с более высокими показателями преломления.

Кроме того, команда также совершенствует контроль расстояния в печатных структурах для создания полноцветных 3D-моделей, которые могут точно контролировать способ управления светом.

Их усилия включают перемещение и точное размещение этих структур на обширных территориях или в значительных количествах, сохраняя при этом высочайшую точность, необходимую для этих передовых приложений.

Ссылка на журнал:

Мори, Т., и другие. (2023). Процесс выбора и размещения для равномерной усадки 3D-печатных микро- и наноматериалов. Природные коммуникации. doi/s41467-023-41535-9

Источник: https://www.sutd.edu.sg/