Двухцветное облучение сделало 3D-печать непрерывной

Немецкие инженеры разработали 3D-принтер для объемной печати. В нем используется два источника света с разными длинами волн, расположенные перпендикулярно друг другу: плоский источник переводит молекулы в слое жидкого полимерного прекурсора в активное состояние, а проектор вызывает полимеризацию этого слоя, причем только в нужных областях. Это значительно ускоряет процесс печати, а также позволяет печатать объекты с отдельными внутренними включениями, например, сферу с шаром внутри. Статья с описанием метода и прототипа принтера опубликована в Nature, а описание коммерческого принтера опубликовано на сайте компании Xolo, в которой работает часть авторов.

Классические 3D-принтеры, работающие методом послойного наплавления или лазерной стереолитографии, создают объекты отдельными слоями, причем внутри слоя печатающая головка или лазерный луч скользит вдоль поверхности и создает твердые участки. Этот процесс занимает много времени, поэтому инженеры начали усовершенствовать методы, чтобы ускорить работу внутри одного слоя, в основном это коснулось методов для работы с жидкими фотоотверждаемыми материалами. Самый простой метод, ускоряющий процесс печати, заключается в том, что луч не скользит по поверхности жидкости, проходя одну строчку за другой, а сразу подается на всю поверхность через жидкокристаллический трафарет. В последние годы также стали появляться методы, позволяющие печатать сразу по всему объему. Их можно разделить на два типа. В одном свет подается сразу с трех сторон и на пересечении лучей происходит затвердевание. В другом применяется томографический принцип, при котором используется лишь один проектор, а перед ним стоит вращающаяся кювета с жидким прекурсором. Суперпозиция проекций позволяет создавать с нужных областях жидкости заданный уровень облучения и отверждать их.

Томографический метод позволяет напечатать весь предмет сантиметрового масштаба примерно за минуту, но из-за колебаний освещения, вызванных вращением, точность печати составляет сотни микрометров — меньше, чем у других световых методов 3D-печати. Немецкие инженеры под руководством Мартина Ригели (Martin Regehly) из Бранденбургского университета прикладных наук и Штефана Хекта (Stefan Hecht) из Берлинского университета Гумбольдта разработали метод, позволяющий быстро и непрерывно печатать объемные объекты при помощи облучения, но имеющий большее разрешение — на уровне десятков микрометров.

В основе нового метода печати лежит более ранний метод двухцветовой фотополимеризации. В нем используется фотоинициатор, восприимчивый к двум длинам волн: при облучении светом одной длиной волны он переходит в короткоживущее активированное состояние, а при облучении второй инициирует полимеризацию прекурсора. В конструкции нового принтера для каждой из длин волн используется свой источник. Для того чтобы активация фотоинициатора в каждой точке жидкости происходила лишь один раз, инженеры использовали лазерный источник ультрафиолетового излучения длиной 375 нанометров, свет от которого при помощи оптической схемы «растягивается» до линии высотой с рабочую область принтера. Во время печати прозрачная кювета с прекурсором двигается вдоль этой линии в одном направлении, поэтому активация для каждой молекулы фотоинициатора происходит лишь один раз.

С перпендикулярной стороны установлен проектор с разрешением 3840 на 2160 пикселей и размером пикселя в плоскости ультрафиолетовой полосы от лазера 21 на 21 микрометр. Он изучает свет с пиковой интенсивностью на длине волны 550 нанометров, которая совпадает с пиком поглощения активированного фотоинициатора.

Во время печати лазер создает облучаемую ультрафиолетом плоскость, активирующую фотоинициализатор, проектор фокусирует в этой плоскости слой 3D-модели, кювета постепенно двигается и проектор выводит новые слои. После этого в кювете остается жидкий прекурсор и твердая 3D-модель.

Тесты показали, что скорость печати составляет 55 кубических миллиметров в секунду или примерно одна минута на кювету шириной в сантиметр. Разрешение печати на тестовых образцах составило 25 микрометров в плоскости ультрафиолетового облучения и 50 микрометров в перпендикулярном ей направлении.

Вместе со статьей о методе печати, часть авторов, основавших компанию Xolo, представили коммерческий принтер, использующий его на практике. Его рабочая область составляет 50 на 70 на 90 миллиметров, а разрешение в плоскости снижено с 25 микрометров до 30. Пока компания лишь принимает заказы на устройство, но не объявляет цену или дату начала продаж.

Мы рассказываем и о прогрессе в обычных методах 3D-печати и их применении. Например, недавно одна группа инженеров научилась печатать одной печатающей головкой филаментами разных цветов, а другая разработала метод печати тенсегрити-конструкций, которые было бы сложно собрать вручную.

Григорий Копиев