Új megoldással bontanák le a 3D nyomtatás korlátait

A 3D nyomtatás mostanában nagy divatját éli. Az additív gyártási eljárásként is ismert folyamat során a tárgyat digitális modell segítségével hozzák létre öntőforma helyett. Ebben az eljárásban több vékony anyagréteget adnak egymáshoz. Számos iparágban használják ezt a technikát a termékek tömeggyártása előtti gyors prototípusgyártásra. A prototípusok gyorsabbá, egyszerűbbé és olcsóbbá tételével a 3D nyomtatás elősegíti az innovációt és a kísérletezést.

Az additív gyártást 1984-ben fejlesztették ki, de csak nemrégiben kezdett szélesebb körben elterjedni, mivel a technológiai fejlődés ezt a gyártási eljárást életképessé tette. Napjainkban a 3D nyomtatás üzletága hatalmas mértékben fejlődik, a folyamatos fejlődés és kutatás pedig segíti a technológia további tökéletesítését. A 3D nyomtatás iránti érdeklődés olyan nagy, hogy a tudósok már mikro- és nanoszintű gyártási technikákon dolgoznak.

A 3D nyomtatás korlátai

A 3D nyomtatással a gyártóipar hatékonysága megnőtt. Ez a fejlődés nagyrészt annak köszönhető, hogy a 3D nyomtatás jelentős tervezési szabadságot tesz lehetővé azáltal, hogy megszünteti a hagyományos gyártásmódok szerkezeti vagy térbeli korlátait. Ezen kívül a technológia anyagtakarékosságáról is nevezetes, ami a hulladékszegény vagy hulladékmentes gyártás lehetőségét kínálja. A 3D nyomtatás a kis gyártók számára a költségek és a piacra jutási idő csökkentésében is döntő szerepet játszik.

A 3D nyomtatás legtöbb alkalmazása a centiméteres méretre korlátozódik. Ezen túlmenően a mechanikai és anyagi kihívások elsősorban a kutatási alkalmazásokban korlátozzák a használatát. Ahhoz tehát, hogy a 3D nyomtatást tömeggyártási léptékre lehessen terjeszteni, és a technológia túlmutasson a prototípusgyártáson, a technológiának meg kell oldania bizonyos, a mérettel, az anyaggal és a költségekkel kapcsolatos kihívásokat.

A nanotechnológiában rejlő lehetőségek

Az additív gyártásban a nanotechnológia megjelenésével a cél a nanométerben mért tárgyak 3D nyomtatása. A nanotechnológia a száz nanométernél kisebb méretekkel foglalkozik, ami olyan apró méretarány, hogy szabad szemmel nem látható. Ez a technológia ígéretes ugrást jelent az additív gyártásban, lehetővé téve a tárgyak atomról atomra történő összeillesztését.

A nanotechnológiában rejlő lehetőségek a hatékonyság és a termelékenység fokozására is kiterjednek különböző iparágakban, például az akkumulátorok, a nanorobotika, a mikroelektronika, az orvosi eszközök, a félvezetők és az érzékelőtechnológiák területén. Ezek az ágazatok jelentősen profitálhatnak a nanoméretű létrehozás pontosságának kompromisszumok nélküli precizitásából.

A 3D nyomtatási technológia bevezetésének nagy kihívása a költség. A felhasznált anyagok drágák, és maguk a 3D-nyomtatók is költségesek. Emellett a szoftver, a technológiai karbantartás és a rendszerintegráció költségei tovább növelik a technika összköltségét. Ezek miatt a 3D nyomtatás továbbra is inkább a kisléptékű és a nagyon speciális gyártás számára marad megvalósítható.

E területen már jó ideje folynak kutatások, amelyek különböző kérdéseket céloznak meg. Néhány évvel ezelőtt például egy kutatócsoport olyan 3D nyomtatási technikát mutatott be, amely gyorsan, összetett, nanoméretű 3D tárgyakat állít elő. Tény azonban, hogy annak ellenére, hogy számos eszköz fejlesztésére alkalmas, a nanoméretű 3D nyomtatás rendkívül drága. Ez most végre megváltozhat, mivel az új kutatás olyan megközelítést talált, amely drasztikusan csökkenti a költségeket és a belépési korlátokat, így az eljárás kereskedelmi forgalomba hozhatóvá válik.

Hatalmas áttörés: olcsóbb és 480-szor gyorsabb

A legújabb kutatások egy új módszert dolgoztak ki a nanoméretű fémszerkezetek nyomtatására, amely alacsony intenzitású fényen alapul. Ez az új fényalapú megközelítés rendkívül gyors, akár 480-szor gyorsabb, mint a jelenleg használt módszerek, miközben olcsó.

A „Fém nanoszerkezetek méretezhető nyomtatása szuperlumineszcens fényvetítéssel (SLP)” című új tanulmányt a közelmúltban végezték el a társszerzők, Sourabh K. Saha, a Georgia Tech gépészmérnöki programjának docense és Jungho Choi, aki Saha laboratóriumának PhD-hallgatója.

Saha szerint a költségek és a sebesség két olyan tényező, amelyet nagyon alulértékelnek a tudományos közösségben, amikor az apró szerkezetek gyártásán és előállításán dolgoznak. Bár a tudományos világban figyelmen kívül hagyják, ezek a mérőszámok a való világban nagyon fontosak, amikor a felfedezéseknek a laboratóriumból az iparba való átültetéséről van szó.

Valójában számos területen számos olyan technológiai fejlesztés létezik, amely a nanoméretű fémszerkezetekre való nyomtatás képességére támaszkodik, ez a technika a nano-mintázás. Ezek közé a területek közé tartoznak az érzékelők, az elektronikus eszközök, a fotonika, a napenergia átalakítása, a biomedicina és a diagnosztika, valamint más rendszerek.

A nanoméretű nyomtatásnál úgy vélik, hogy az eljáráshoz nagy intenzitású fényforrásra van szükség. Az egyik ilyen eszköz a femtoszekundumos lézer, amely ultrarövid lézerimpulzusokat juttat egy fókuszpontba.

Bár valóban előnyös, ez az eszköz nagyon drága. Mivel akár félmillió dollárba is kerülhet, ez a legtöbb kutatólaboratórium és természetesen a kisvállalkozások számára nem áll rendelkezésre.

Ennek eredményeképpen a kutatók egy olyan veszteséges fényt kezdtek keresni, amely alacsony intenzitású, de a femtoszekundumos lézerekhez hasonlóan fókuszálható - így bukkantak rá a szuperlumineszcens fénykibocsátó diódákra (SLED), amelyeket a kereskedelmi forgalomban való elérhetőségük miatt választottak.

Megszületett a megoldás?

A SLED egy szuperlumineszcencia-alapú széleken kibocsátó félvezető fényforrás, amely egyesíti a lézerdiódák fényerejét és nagy teljesítményét a hagyományos fénykibocsátó diódák alacsony koherenciájával. A SLED-k által kibocsátott fény lényegesen kisebb intenzitású, mint a femtoszekundumos lézereké.

Choi és Saha ezzel a kutatással az első vetítési stílusú nyomtatási technológia kifejlesztését tűzte ki célul. Ezt a rendszert úgy tervezték, hogy úgy működjön, mint egy digitális projektor, mivel a képeket digitálisról optikaira változtatja, majd üvegfelületen jeleníti meg. Ezzel a nyomtatási technológiával előállított képek azonban élesebb fókuszúak. Ez az élesség a szuperlumineszcens fény egyedi tulajdonságainak kihasználásával érhető el, hogy minimális hibákkal rendelkező képeket hozzon létre.

Ez az SLP vagy szuperlumineszcens fényvetítési technika gyorsan nyomtat szubdiffrakciós (az érintett fény diffrakciós határánál rövidebb dimenzió) nanoszerkezeteket, kevésbé intenzív fénnyel. A kutatók a dióda alapú szuperlumineszcens fény térbeli és időbeli koherencia tulajdonságait használták ki.

Mostani kutatásukhoz fémsót használtak fel más vegyi anyagokkal együtt, hogy olyan tiszta tintaoldatot fejlesszenek ki, amely képes elnyelni a fényt. Amikor a vetítőrendszerükből érkező fény az oldatba csapódott, kémiai reakciót váltott ki, és az oldatot fémsóvá alakította át. Ezek a fém nanorészecskék megtapadtak az üveg felületén, ami létrehozta a nanoszerkezeteket.

Mivel vetítéses nyomtatási technológiáról van szó, ez azt jelenti, hogy egyszerre egész struktúrákat lehet vele nyomtatni. Az a tény, hogy ahelyett, hogy pontról pontra haladnánk, ez a technika az egészet egy menetben végzi el, gyorsabbá teszi, mint más hagyományos módszerek.

A fényalapú, vetítési stílusú nano-metál nyomtatás tesztelése során kiderült, hogy még alacsony intenzitású fénnyel is működik, feltéve, hogy a képek élesen fókuszáltak.

Choi és Saha szerint munkájukat más kutatók is gyorsan megismételhetik a kereskedelemben kapható hardverek segítségével. Ez nem is kerül majd sokba, hiszen a kutatásukban használt SLED-típus mindössze háromezer dollárba.

Ez az áttörés valódi lehetőséget rejt magában arra, hogy az új technológiák a kutatólaboratóriumokból a világ használatába kerüljenek. A kutatásnak minden bizonnyal széleskörű alkalmazási lehetőségei vannak, a kutatók szerint technikájuk különösen hasznos lesz az optika és a plazmonika területén, amelyek különféle összetett fém nanoszerkezeteket igényelnek – írja a Securities.io.