Исследователи из Стэнфордского и Гарвардского университетов разработали новый метод объемной 3D-печати, позволяющий изготавливать детали из полимера без необходимости в каких-либо поддерживающих конструкциях.
Подход основан на наполненном наночастицами полимерном материале, который затвердевает только при воздействии на него сильно сфокусированным лазерным пятном. Изменяя фокус лазера по всей ванне со смолой, исследователи сделали возможным печатать в любой точке резервуара смолы, а не только на поверхностном слое.
Таким образом, новый 3D-принтер не обязательно должен печатать объекты снизу вверх послойно, прокладывая путь для абстрактных геометрических фигур, к которым можно «добавлять» форму практически с любого направления.
«Поскольку наша смола является самонесущей в процессе печати, нам не нужно печатать какие-либо опоры, что значительно упрощает постобработку деталей», — говорит Дэн Конгрив, соавтор исследования. «Поскольку мы не ограничены этим послойным процессом, мы можем печатать структуры, такие как выступы, которые традиционно являются сложными. Это совершенно новая технология, и мы только начинаем осваивать ее возможности».
На первый взгляд метод 3D-печати Стэнфорда очень похож на обычную стереолитографию (SLA). Лазерный луч направляется на смолу в ванне, которая отверждается под воздействием синего света. Однако команда использовала не только стандартный синий лазер, так как он отверждал смолу по всей длине проникающего луча.
Вместо этого они использовали специальную смолу, содержащую светопреобразующие наночастицы диаметром всего 80 нм. Наночастицы предназначены для преобразования красного света в синий свет при достижении критического порога энергии, что может быть достигнуто только при максимальной фокусировке лазера. Таким образом, в этом методе вместо этого используется стандартный красный лазер с механизмом разбавления и фокусировки этого красного лазера.
Новая установка устраняет необходимость отверждения только поверхностного слоя, позволяя отвердить отдельные точки в ванне со смолой, фокусируя только красный лазер на желаемых координатах XYZ. Команда заявляет, что один или несколько лазеров могут вращаться вокруг ванны для объемной печати практически со всех направлений одновременно, что позволяет использовать любую геометрию без поддержки.
Механизм преобразования одной длины волны света в другую называется преобразованием с повышением частоты слияния триплетов и является специализацией Конгрева.
«Меня заинтересовал этот метод преобразования с повышением частоты еще в аспирантуре», — добавляет он. «У него есть множество интересных применений в области солнечной энергетики, биотехнологии, а теперь ещё и в 3D-печати. Настоящая наша специализация заключается в самих наноматериалах — их разработке, чтобы они генерировали свет с нужной длиной волны, эффективно излучали его и диспергировались в смоле».
Чтобы сформулировать специальную смесь смол, команда превратила активные молекулы преобразования с повышением частоты в наноразмерные капли и покрыла их защитным слоем кремнезема. Полученные нанокапсулы были распределены по матрице смолы для формирования конечного светопреобразующего композита.
«Выяснить, как сделать нанокапсулы прочными, было непросто — смола для 3D-печати на самом деле довольно жесткая», — сказала Трейси Шломер, один из ведущих авторов исследования. «И если эти нанокапсулы начнут разваливаться, ваша способность к преобразованию с повышением частоты исчезнет. Всё ваше содержимое выплескивается наружу, и вы не можете получить те молекулярные столкновения, которые вам нужны».
В настоящее время исследователи изучают другие области применения светопреобразующих нанокапсул. Потенциальные варианты использования включают более эффективные солнечные панели, в которых низкоэнергетический свет может быть преобразован в длину волны, которую солнечные элементы могут легче улавливать. Их также можно использовать для изучения биологических моделей, использующих свет для запуска химических реакций.
Более подробную информацию об исследовании можно найти в статье под названием «Нанокапсулы с повышающим преобразованием Triplet Fusion для объемной 3D-печати».
Несмотря на новизну своего 3D-принтера, исследователи из Стэнфорда не первые, кто исследует концепцию объемной 3D-печати. Исследовательская группа из Утрехтского университета недавно успешно изготовила рабочую печень, используя недавно разработанный метод сверхбыстрой объемной 3D-биопечати. Напечатанные менее чем за 20 секунд единицы печени смогли выполнять ключевые процессы выведения токсинов, имитирующие процессы, которые естественная печень выполняет в нашем организме, и могли открыть новые возможности для регенеративной медицины и персонализированного тестирования лекарств.
В другом месте исследовательская группа во главе с Университетским колледжем Лондона (UCL) недавно использовала объемную 3D-печать для изготовления таблеток с лекарством за считанные секунды, как сообщается, впервые. Команда успешно изготовила таблетки с парацетамолом за 17 секунд, что значительно быстрее, чем современные методы, используемые для печати фармацевтических препаратов в рамках исследований и некоторых клинических условий.