At skabe 3D-printede materialer, der krymper mere præcist

Fra huse til høreapparater revolutionerer tredimensionel (3D) print, hvordan vi skaber komplekse strukturer i skala. Ved at zoome ned til mikro- og nanoniveauet giver en proces kendt som to-foton polymerisationslitografi (TPL) forskere og ingeniører mulighed for at konstruere objekter med mikroskopisk præcision, hvilket har vidtrækkende konsekvenser for industrier lige fra medicin til fremstilling.

Inden for databehandling og kommunikation, for eksempel, kan TPL bruges til at udvikle nye optiske materialer, såsom fotoniske krystaller, der kan manipulere lys på nye måder. På trods af dets løfte eksisterer der stadig nogle udfordringer for fuldt ud at udnytte dets potentiale. Den vigtigste blandt disse er udfordringen med at opnå ensartet krympning og funktionsstørrelser under bølgelængden af ​​synligt lys, hvilket er afgørende, når det kommer til avanceret lysmanipulation.

For at løse denne udfordring introducerede et team af forskere ledet af professor Joel Yang fra Singapore University of Technology and Designs (SUTD) Engineering Product Development-søjle - i samarbejde med deres kolleger fra Industrial Technology Center i Wakayama Prefecture i Japan - en ny metode, der sikrer jævn krympning af 3D-printede strukturer, når de varmebehandles. Dette forfiner yderligere brugen af ​​TPL til at producere højpræcisionsfunktioner i nanoskala.

Deres forskningsartikel, "Vælg og placer-proces for ensartet krympning af 3D-printede mikro- og nano-arkitekterede materialer," blev offentliggjort i Nature Communications .

I deres undersøgelse brugte forskerne et lag af poly(vinylalkohol) eller PVA på printsubstratet for at lette 3D-printede dele, der skal vaskes af og overføres til et separat substrat, hvilket muliggør kontrolleret og ensartet reduktion af 3D-printede dele. Den løse fastgørelse på det nye substrat gør det muligt for bunden af ​​strukturerne at glide, da det samlede 3D-print krymper ensartet under opvarmning.

Denne enkle, men effektive tilgang omgår problemet med uensartet krympning forårsaget af fastgørelsen af ​​strukturen til overfladen, hvorpå den blev trykt. Det åbner også op for muligheder for at overføre mikroskopiske 3D-printede dele til integration med andre enheder eller til substrater, der ikke er egnede til TPL.

Yang hentede inspiration fra naturen til denne teknik og sagde:"Ligesom regnorme strækker sig og trækker sig sammen for at bevæge sig hen over overflader, troede vi, at vi kunne gøre det muligt for vores 3D-strukturer at 'glide' til en mindre størrelse uden forvrængning."

Ifølge Tomohiro Mori, førsteforfatter af papiret og gæsteforsker fra Industrial Technology Center i Wakayama Prefecture, "Den komplekse geometri af Wakayama præfekturets maskot - med dens forskellige kurver, bump og fald - gjorde det til et ideelt emne til at fremvise vores tekniks effektivitet Succesfuld ensartet krympning af en så detaljeret model tyder på, at vores metode kunne tilpasses til enhver form, uanset dens form eller soliditeten af ​​den platform, den er placeret på."

Holdets tilgang gør det muligt at skabe fine detaljerede strukturer, der overgår, hvad deres printudstyr oprindeligt kan producere, og bryder gennem tidligere barrierer for opløsning og materialestivhed forbundet med 3D-printede objekter.

Ved at udnytte denne nye krympende proces kan forskerne også forfine funktionerne i 3D-printede strukturer i en sådan grad, at de kan fungere i nye roller, såsom visuelle indikatorer på grund af deres evne til at vise strukturelle farver. Endnu vigtigere er det, at disse farver ikke skyldes farvestoffer, men stammer fra materialets indre struktur, som, når den reduceres i størrelse, interagerer med lyset på en måde, der ændrer dets udseende.

Dette introducerer nye funktioner til materialer. "For eksempel, at inkorporere visse molekyler kaldet kromoforer, som er følsomme over for forskellige typer lys, i strukturerne, kunne give os mulighed for at konstruere materialer, der ændrer farver som reaktion på specifikke lysforhold," forklarede Yang. "Dette har praktiske anvendelser inden for bekæmpelse af forfalskning, hvor genstande kan verificeres som ægte gennem forskellige strukturelle farver og disse materialers emissionsegenskaber."

Teknologien, der er udviklet af forskerholdet, lover godt i industrier som f.eks. elektronik, hvor den kan bruges til at fremstille komplicerede køleplader, der er nødvendige til afkøling af højtydende enheder, såsom avancerede GPU'er og CPU'er.

Den konsekvente krympning af trykte komponenter åbner også for applikationer inden for områder, der kræver høj kvalitet i materialestrukturering, såsom mekaniske dele med komplekse geometrier, optiske elementer med præcise lysmanipulationsevner og akustiske enheder, der kan kontrollere lyd med større nøjagtighed.

Ser fremad planlægger forskerne at udvide anvendelserne af deres teknik ud over det nuværende polymere harpiksmateriale, der anvendes i deres undersøgelse. Ved at anvende deres metode på materialer med højere brydningsindeks, sigter de mod at skabe mere effektive fotoniske krystaller, som kunne forbedre teknologier inden for lasere, billeddannelsessystemer og optiske sensorer.

Derudover arbejder forskerholdet også på at finjustere kontrollen af ​​afstanden i printede strukturer for at producere 3D-modeller i fuld farve, der præcist kan styre den måde, lyset manipuleres på. Dette omfatter bestræbelser på at overføre og præcist placere disse strukturer over store områder eller i betydelige mængder, og opretholde den høje præcision, der kræves til disse avancerede applikationer.

Flere oplysninger: Tomohiro Mori et al., Pick and place-proces til ensartet krympning af 3D-printede mikro- og nanoarkitekterede materialer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41535-9

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Singapore University of Technology and Design