Drukarka 3D do góry nogami 25.03.2015

Aby wymyślić coś naprawdę nowego w technologii, która istnieje od lat, często trzeba na to spojrzeć z przeciwnej strony. Najprawdopodobniej w tym celu będziesz musiał nawet odwrócić wszystko do góry nogami lub wywrócić na lewą stronę. Tak więc silniki spalinowe wyparły silniki spalinowe zewnętrzne, chociaż inżynierowie sprzed wieku przewidzieli przyszłą dominację silników parowych.

Teraz silniki parowe pozostały tylko w fantastycznych opowieściach z gatunku steampunk. To prawda, że ​​silniki benzynowe mają już wszelkie szanse na pozostanie tylko na kartach historii, ustępując miejsca elektrycznym. Jest wiele takich przykładów, weźmy te same myszy komputerowe, które ewoluowały od myszy kulkowych z końcówką kablową do laserowych i bezprzewodowych. Teraz tak radykalna transformacja może wpłynąć na technologię druku 3D, która w ostatnim czasie stała się powszechnie dostępna.

Istnieje kilka różnych technologii druku XNUMXD, których istotą jest tworzenie warstwa po warstwie przedmiotu o pożądanym kształcie. Jedną z szeroko stosowanych metod jest stereolitografia laserowa. Jak to działa? Produkt tworzony jest z płynnego fotopolimeru - specjalnej substancji, która twardnieje pod działaniem lasera ultrafioletowego. Wiązka lasera biegnie wokół konturu części, oświetlone przez nią obszary stają się stałe, a nienaświetlone obszary pozostają płynne. Powstający produkt jest zanurzany warstwa po warstwie w kąpieli z płynnego polimeru. Po zakończeniu procesu gotowa część jest wyjmowana z kąpieli, nieprzereagowany polimer jest usuwany i przeprowadzana jest końcowa obróbka. Technologia jest dobrze opracowana i stosowana na całym świecie. Ale ma jedną wadę - prędkość, która nie przekracza kilku milimetrów na godzinę. W końcu zawsze chcesz jak najszybciej uzyskać gotowy wynik, a nie czekać pół dnia lub dłużej, kiedy w końcu zostanie tam wydrukowany.

Co jest tak powolnego w drukowaniu 3D? Okazało się, że najwolniejszym etapem całego procesu jest utwardzanie polimeru. I nie chodzi tu o laser czy sam polimer, ale o tlen z powietrza. Cząsteczki tego gazu rozpuszczają się w górnej warstwie ciekłego polimeru i spowalniają jego twardnienie. Promieniowanie laserowe tworzy aktywne cząsteczki, które zaczynają wiązać ze sobą cząsteczki materiału polimerowego, dzięki czemu staje się on stały. Z drugiej strony tlen aktywnie zakłóca ten proces, w wyniku czego polimer twardnieje znacznie dłużej niż mógłby.

Oczywiście można umieścić drukarkę 3D w szczelnej komorze, która będzie zawierała np. azot zamiast tlenu, ale to całkowicie zrujnuje jedną z głównych zalet druku XNUMXD - łatwość użytkowania. Jednak chemicy wraz z inżynierami wymyślili sposób na skierowanie „szkodliwej” aktywności cząsteczek tlenu w użyteczny dla technologii kanał i byli w stanie stukrotnie zwiększyć szybkość drukowania. W tym celu wystarczyło wszystko wywrócić do góry nogami.

Jak zapobiec przedostawaniu się tlenu do cząsteczek aktywnego polimeru? Skoro opcja z zamkniętą komorą znika na samym początku, pozostaje kolejna: a co jeśli druk odbywa się nie na powierzchni wanny z płynnym fotopolimerem, ale na głębokości, na której z powierzchni nie może dotrzeć ani jedna cząsteczka tlenu? Na przykład zrób wannę z przezroczystym dnem i świecą laserem nie od góry, ale od dołu. Wtedy możliwe byłoby wydrukowanie części, stopniowo wyciągając ją spod warstwy płynnego polimeru. Opcja jest dobra, z wyjątkiem jednej rzeczy - polimer zacznie twardnieć już w miejscu kontaktu z przezroczystym dnem, a tworzona część po prostu przyklei się do wanny. Na tym polega cała wiedza na temat wynalazku. Deweloperowi udało się upewnić, że wyprodukowana część nie „spala się” na powierzchni wanny. I pomógł im w tym, co dziwne, ten sam „zły” tlen.

Dno płynnej kąpieli polimerowej zostało wykonane ze specjalnego materiału teflonowego, przez który cząsteczki tlenu mogą niemal swobodnie przenikać, ale jednocześnie jest ono przezroczyste dla ultrafioletowego promieniowania laserowego. Co się dzieje? Cząsteczki tlenu przenikają przez taką membranę i rozpuszczają się w warstwie cieczy znajdującej się w pobliżu dna. Wiązka laserowa przechodząca przez membranę aktywuje cząsteczki fotopolimeru i zaczynają się one łączyć ze sobą, ale cienka warstwa nasycona tlenem zapobiega ich przywieraniu do dna. Grubość takiej „nieprzywierającej” powłoki wynosi zaledwie kilkadziesiąt mikrometrów - mniej więcej tyle samo, co ludzki włos. Dzięki zrównoważeniu przepuszczalności membrany, właściwości fotopolimeru i mocy lasera, cały proces drukowania 3D można wykonać niezwykle szybko.

W swoich eksperymentach twórcy technologii osiągnęli prędkość 500 milimetrów na godzinę, czyli sto razy większą niż prędkość drukowania przy użyciu konwencjonalnej stereolitografii laserowej. A wydrukowany produkt wyłania się spektakularnie z wanny wypełnionej płynnym polimerem.