Быстрое производство полимерных структур — два процесса на одном станке
Либо быстрая, либо точная — и то, и другое невозможно достичь при производстве тончайших полимерных структур с помощью лазера. Или может они могут? Объединение стереолитографии и многофотонной полимеризации должно сделать это возможным: ученые из Института лазерной технологии Фраунгофера ILT разрабатывают машину для высокоточных и экономичных технологий трехмерного конструирования, используя оба метода. 1 ноября 2018 года Fraunhofer ILT и его партнеры по проекту запустили проект «Высокая производительность и детализация в аддитивном производстве благодаря сочетанию УФ-полимеризации и многофотонной полимеризации — HoPro-3-D», который финансируется Европейским Союзом и государство Северный Рейн-Вестфалия.
Эксперты Fraunhofer ILT совместно с LightFab GmbH из Аахена, Bartels Mikrotechnik GmbH из Дортмунда и Miltenyi Biotec GmbH из Бергиш-Гладбаха разрабатывают новую машину для производства макроскопических полимерных структур с разрешением до субмикрометрового диапазона. До настоящего времени для этой цели были доступны различные отдельные процессы: УФ-полимеризация на основе лазеров, такая как, например, стереолитография (SLA) или микрозеркальные матрицы (DLP), и многофотонная полимеризация (MPP) в микроскопическом масштабе.
В SLA процессе , УФ — лазер записывает двухмерную структуру в ванне со смолой, в результате чего фоточувствительный материала полимеризоваться. Компонент понижается шаг за шагом, и трехмерная структура строится в слоях. В большинстве случаев скорость наращивания значительно превышает 1 мм³ в секунду. В новых 3D-принтерах вместо сканера используются ультрафиолетовые светодиоды и чип DLP (Digital Light Processor). Это позволяет распараллеливать экспозицию, тем самым увеличивая скорость построения. Оба метода достигают максимального разрешения выше 10 мкм.
Многофотонная полимеризация подходит для построения еще более тонких структур. В этом процессе необходимая энергия фотона генерируется интенсивными лазерными импульсами с длинами волн в видимом или инфракрасном диапазоне, при этом несколько низкоэнергетических фотонов фактически суммируются с ультрафиолетовым фотоном. Преимущество — чрезвычайно высокая точность до 100 нм во всех трех пространственных направлениях; однако скорость наращивания здесь составляет всего около 10 мкм³ в секунду.
Экономия времени с двумя системами на одной машине
В настоящее время партнеры по проекту объединяют процесс на основе DLP с процессом MPP и разрабатывают машину с двумя выбираемыми системами экспонирования для высокой скорости сборки или высокой точности. Они используют высокопроизводительные светодиоды, излучающие на длине волны 365 нм, и чип DLP с разрешением HD для литографии. Модуль MPP использует фемтосекундный лазер с быстрым сканером и микроскопической оптикой.
«Преимущество заключается во взаимодействии двух процедур: в зависимости от необходимости мы намерены переключаться между системами экспонирования в процессе», — объясняет доктор Мартин Венер, руководитель проекта HoPro-3-D в Fraunhofer ILT. «Задача, с которой мы сталкиваемся, заключается в управлении процессом. Концепция разработана, в настоящее время создается соответствующая машина».
Кроме того, разрабатывается управляющее программное обеспечение, которое должно самостоятельно решать — на основе данных САПР — когда имеет смысл изменение между двумя источниками. Суть в том, что этот переход работает плавно, и конструкции могут быть встроены в ванну со смолой без необходимости замены фотопласта. Команда проекта изучает различные материалы и детально оптимизирует комбинацию процессов.
Приложения не только в биомедицине
Многие компоненты имеют корпус, который можно быстро собрать, но также и некоторые конструкции, которые требуют высокой точности. Комбинация процессов позволяет, например, оптически функциональным элементам, таким как линзы или призмы, быть интегрированными непосредственно в более крупный компонент с большой точностью. Благодаря такому подходу возможно создание полной коллимирующей оптики для считывания оптической информации в технологии анализа.
Области применения разнообразны, но эта машина должна оказаться наиболее интересной для производства компонентов, используемых в технологии биомедицинского анализа. Опорные каркасы для трехмерных моделей тканей, микромеханические компоненты или комплектные микрофлюидные системы являются типичными примерами применения для этого.
