Forskere 3-D-printer små flerfarvede mikrostrukturer

Forskere har udviklet en automatiseret 3-D printmetode, der kan producere flerfarvede 3-D mikrostrukturer ved hjælp af forskellige materialer. Den nye metode kan bruges til at fremstille en række optiske komponenter, herunder optiske sensorer og lysdrevne aktuatorer samt multimateriale strukturer til applikationer såsom blød robotteknologi og medicinske applikationer.

"Kombinering af flere slags materialer kan bruges til at skabe en funktion, der ikke kan realiseres med et enkelt materiale, " sagde forskerholdsleder Shoji Maruo fra Yokohama National University i Japan. "Metoder som vores, der tillader enkelttrinsfremstilling af multimaterialestrukturer, eliminerer monteringsprocesser, tillader produktion af enheder med høj præcision og lave omkostninger."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optiske materialer Express , Maruo og kolleger beskriver deres nye 3-D printmetode og demonstrerer den ved at skabe forskellige flerfarvede 3-D strukturer. Deres teknik er baseret på stereolitografi, en 3-D printmetode, der er ideel til fremstilling af mikroenheder, fordi den bruger en stramt fokuseret laserstråle til at lave indviklede detaljer.

"Evnen til at lave multimateriale mikroskala optiske elementer ved hjælp af 3-D-print kunne hjælpe med miniaturisering af optiske enheder, der bruges til medicinske behandlinger og diagnoser, " sagde Maruo. "Dette kan forbedre evnen til at bruge disse enheder i eller på kroppen, samtidig med at de kan bruges til engangsbrug, som ville hjælpe med at give en avanceret og sikker medicinsk diagnose."

Optimering af farvestereolitografi

Stereolitografi opbygger en højpræcisions 3D-struktur ved at bruge en laser til at hærde lysaktiverede materialer kendt som fotohærdelige harpikser lag for lag. Mikrofluidika bruges ofte til at holde flydende harpikser, men det er udfordrende at forhindre, at de forskellige harpikser forurener hinanden, når de skifter materiale uden at skabe store mængder affald eller danne luftbobler i den trykte genstand.

I det nye værk, forskerne udviklede en måde at holde de forskellige materialer i en dråbetilstand, som gør det nemmere at udskifte dem i et lukket rum såsom en mikrokanal uden at skabe affald. For at undertrykke luftbobler, den 3-D-printede struktur flyttes rundt inde i harpiksen, hver gang en harpiks udskiftes. De integrerede også en to-trins proces til rensning af den 3-D-printede struktur, når harpikserne udskiftes for fuldstændigt at forhindre krydskontaminering.

For at implementere denne optimerede tilgang, forskerne skabte en palet til at indeholde flere harpikser og placerede den, to rensetanke og en luftblæsningsdyse på en motoriseret scene. "Alle processer, inklusive 3-D print, harpiks erstatning, boblefjernelse og rensning udføres sekventielt ved hjælp af software, vi har udviklet, " sagde Maruo. "Dette gør det muligt at skabe flerfarvede 3-D mikrostrukturer automatisk."

Oprettelse af flerfarvede 3D-strukturer

Forskerne testede tilgangen ved at placere forskellige typer fotohærdende harpikser i en palet og bruge dem til at skabe 3-D mikrostrukturer. For en af ​​disse demonstrationsstrukturer, en lille flerfarvet terning kun 1,5 millimeter på tværs, 3-D printsystemet udvekslede fem farver harpiks 250 gange i løbet af en 6-timers fremstillingsproces. Forskerne viste også, at justering af antallet af lag af flerfarvede harpikser gjorde det muligt at justere absorbansen af ​​hver del af strukturen, giver dem mulighed for at skabe mikrostrukturer med farver som sort ved at kombinere lag af rødt, blå, grøn og gul.

"Denne metode kan anvendes ikke kun til flerfarvede harpikser, men også til en bredere vifte af materialer, " sagde Maruo. "For eksempel, blanding af forskellige keramiske mikro- eller nanopartikler med en fotohærdende harpiks kan bruges til at 3-D-printe forskellige typer glas. Det kan også bruges sammen med biokompatible keramiske materialer til at skabe stilladser til regenerering af knogler og tænder."

Forskerne arbejder nu på at forkorte den tid, der kræves til processer som harpikserstatning og boblefjernelse for at muliggøre endnu hurtigere fremstilling. De planlægger også at bruge teknologi, som de tidligere har demonstreret, til at bygge et multiskala fabrikationssystem, hvor fabrikationsopløsningen kan ændres fra mindre end en mikrometer til flere titusvis af mikrometer ved at ændre fokuseringslinsen og lasereksponeringsforholdene.