Новая технология высокоскоростной микромасштабной 3D-печати

Новая технология высокоскоростной микромасштабной 3D-печати
Новая технология высокоскоростной микромасштабной 3D-печати

Логотип лаборатории DeSimone, напечатанный на 3D-принтере, с геометрией бакиболла демонстрирует способность системы r2rCLIP создавать сложные, не поддающиеся формованию формы с характеристиками микронного масштаба. Фото: DeSimone Research Group, SEM, любезно предоставлено Стэнфордским нано-центром общего пользования.

Микроскопические частицы, напечатанные на 3D-принтере, настолько малы, что невооруженным глазом они кажутся пылью, находят применение в доставке лекарств и вакцин, микроэлектронике, микрофлюидике и абразивах для сложного производства. Однако необходимость точной координации между доставкой света, движением предметного столика и свойствами смолы затрудняет масштабируемое производство таких индивидуальных микрочастиц. Теперь исследователи из Стэнфордского университета представили более эффективную технологию обработки, которая позволяет печатать до 1 миллиона высокодетализированных и настраиваемых микрочастиц в день.


«Теперь мы можем создавать гораздо более сложные формы вплоть до микроскопического масштаба, со скоростями, которые ранее не были показаны для изготовления частиц, и из широкого спектра материалов», — сказал Джейсон Кроненфельд, доктор философии. кандидат лаборатории Дезимоуна в Стэнфорде и ведущий автор статьи, подробно описывающей этот процесс, опубликованной сегодня в Природа.

Эта работа основана на технологии печати, известной как непрерывное производство жидкостного интерфейса (CLIP), представленной в 2015 году Дезимоном и его коллегами. CLIP использует ультрафиолетовый свет, излучаемый кусочками, для быстрого отверждения смолы и придания ей желаемой формы. В основе этого метода лежит кислородопроницаемое окно над проектором ультрафиолетового излучения. Это создает «мертвую зону», которая предотвращает затвердевание и прилипание жидкой смолы к окну. В результате деликатные детали можно отверждать, не снимая каждый слой с окна, что приводит к более быстрой печати частиц.

«Использование света для изготовления объектов без форм открывает совершенно новые горизонты в мире частиц», — сказал Джозеф Дезимоун, профессор трансляционной медицины в Стэнфордском медицинском университете и автор статьи. «И мы думаем, что масштабируемость этого приведет к появлению возможностей использования этих частиц для развития отраслей будущего. Мы воодушевлены тем, к чему это может привести и где другие смогут использовать эти идеи для продвижения своих собственных устремлений».

Рулон за рулоном

Процесс, который эти исследователи изобрели для массового производства частиц уникальной формы размером меньше человеческого волоса, напоминает сборочный конвейер. Все начинается с того, что пленка тщательно натягивается и затем отправляется на принтер CLIP. В принтере на пленку одновременно печатаются сотни фигур, а затем сборочная линия движется вперед, чтобы промыть, затвердеть и удалить формы — этапы, которые можно настроить в зависимости от используемой формы и материала.

В конце пустая пленка снова сворачивается, что дает всему процессу название «roll-to-roll CLIP» или r2rCLIP. До появления r2rCLIP партию напечатанных частиц нужно было обрабатывать вручную, а это медленный и трудоемкий процесс. Автоматизация r2rCLIP теперь обеспечивает беспрецедентную производительность — до 1 миллиона частиц в день.

Если это звучит как знакомая форма производства, то это сделано намеренно.

«Вы не покупаете то, что не можете произвести», — сказал Дезимоун, который также является профессором химического машиностроения в Инженерной школе. «Инструменты, которые используют большинство исследователей, — это инструменты для создания прототипов и испытательных площадок, а также для доказательства важных моментов. Моя лаборатория занимается трансляционной производственной наукой — мы разрабатываем инструменты, которые обеспечивают масштабирование. Это один из ярких примеров того, что такое внимание означает для нас.»

В 3D-печати существует компромисс между разрешением и скоростью. Например, другие процессы 3D-печати позволяют печатать гораздо меньшие размеры (в нанометровом масштабе), но они медленнее. И, конечно же, макроскопическая 3D-печать уже закрепилась (в буквальном смысле) в массовом производстве в виде обуви, товаров для дома, деталей машин, футбольных шлемов, зубных протезов, слуховых аппаратов и многого другого. Эта работа рассматривает возможности между этими мирами.

«Мы добиваемся точного баланса между скоростью и разрешением», — сказал Кроненфельд. «Наш подход определенно способен производить результаты с высоким разрешением, сохраняя при этом темпы производства, необходимые для удовлетворения объемов производства частиц, которые эксперты считают важными для различных приложений. Методы с потенциалом поступательного воздействия должны быть реально адаптированы от масштаба исследовательской лаборатории до масштаба Индустриальное производство.»

Твердый и мягкий

Исследователи надеются, что процесс r2rCLIP получит широкое распространение среди других исследователей и промышленности. Кроме того, Дезимоун считает, что 3D-печать как область быстро развивается, игнорируя вопросы о процессе и стремясь к амбициям относительно возможностей.

«r2rCLIP — это основополагающая технология», — сказал Дезимоун. «Но я верю, что сейчас мы вступаем в мир, ориентированный больше на сами 3D-продукты, чем на процесс. Эти процессы становятся явно ценными и полезными. И теперь вопрос: каковы наиболее ценные приложения?»

Со своей стороны, исследователи уже экспериментировали с получением как твердых, так и мягких частиц из керамики и гидрогелей. Первый может найти применение в производстве микроэлектроники, а второй — в доставке лекарств в организм.

«Существует широкий спектр применений, и мы только начинаем их изучать», — сказала Мария Дулай, старший научный сотрудник лаборатории Дезимоуна и соавтор статьи. «Это совершенно необычно, где мы находимся с этой техникой».

Больше информации:
Джейсон М. Кроненфельд и др., Рулонная 3D-печать частиц определенной формы с высоким разрешением, Природа (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07061-4

Предоставлено Стэнфордским университетом

Цитирование: Новая технология высокоскоростной микромасштабной 3D-печати (13 марта 2024 г.), получено 13 марта 2024 г. с https://phys.org/news/2024-03-high-microscale-3d-technique.html.

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любых добросовестных сделок в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.

Поделиться в соцсетях