3D-печать за считанные минуты с помощью света обеспечит CAL – компьютерная осевая литография

О трехмерной реконструкции томографии, 3D-печати и успешном сотрудничестве в области этих исследований рассказывает Хайден Тейлор, доцент кафедры машиностроения в Калифорнийском университете в Беркли. Идея адаптировать принципы, лежащие в основе технологии трехмерной визуализации компьютерной

Идея адаптировать принципы, лежащие в основе технологии трехмерной визуализации компьютерной томографии, для разработки новой технологии 3D-печати, которая могла бы создавать объекты за считанные минуты, появилась несколько лет назад. Изначально она могла показаться немного сумасшедшей, но когда аспирант Бретт Келли собрал группу разрозненных экспертов из Калифорнийского университета в Беркли и Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, стало понятно, что это действительно может сработать.

Компьютерная осевая литография (Computed Axial Lithography, CAL)

Команда ученых была вдохновлена широко используемой техникой визуализации компьютерной томографии, при которой рентгеновские лучи проецируются через твердые объекты под разными углами, а программное обеспечение интерпретирует передаваемые сигналы для создания трехмерного изображения того, что находится внутри объекта. Исследователи начали проводить эксперименты, основываясь на этих данных, и рассмотрев их «под другим углом, пришли к концепции CAL. При ее использовании, фотоны проецируются на светочувствительный материал, чтобы сформировать нужный объект.

Весь процесс «распечатки» предмета занимает от 30 секунд до нескольких минут. В настоящее время уже есть готовые объекты, изготовленные таким способом. Их диаметр составляет 5 -10 см. Используемые до этого методы, такие как лазерная стереолитография, занимают много времени. Например, для создания небольших объектов аналогичных размеров требуется несколько часов.

Для сокращения этих сроков, CAL использует коммерчески доступное цифровое видеопроекционное оборудование. Сложность здесь заключается в программном обеспечении, переводящем цифровую модель нужного объекта в серию изображений, которые последовательно просвечивают весь материал во вращающемся объеме печати. Вращение в сочетании с быстро меняющимся световым рисунком позволяет полностью контролировать дозировку света в трех измерениях. Когда общее количество световой энергии, полученной в определенной точке материала, превышает пороговое значение, жидкость затвердевает, и образуется часть объекта. Для получения качественно сделанного предмета пороговый отклик материала должен быть сильным. Это обеспечивается равномерно растворенным кислородом, который первоначально ингибирует затвердевание, но расходуется по мере накопления небольшой дозы.

Повторное использование смолы

После завершения процесса печати неиспользованную смолу можно слить и подвергнуть воздействию воздуха, чтобы содержание кислорода снова достигло своего исходного равновесного состояния. Таким образом, ее можно использовать повторно, уменьшая потери расходного материала.

Масштабируемость

В разработку технологий по увлечению печатаемых объектов сегодня вкладывается много усилий. При использовании CAL свет проходит весь объем печати и поглощается с гораздо меньшей скоростью, чем в традиционных принтерах. Это означает, что за счет увеличения мощности источника освещения размер печатаемых объектов может быть увеличен. При этом время на его изготовление останется прежним или даже сократится. Используя подобные технологии, объект диаметром 0,5 метра с элементами размером до 0,1–0,2 мм может изготавливаться при обработке материала со скоростью несколько литров в минуту.

Другим важным шагом в увеличении объема печати может быть переход к конфигурации, в которой лучи света выходят из проектора в разные стороны, а не идут параллельно друг другу, как это происходит в настоящее время. Внесение этого изменения позволит печатать большие объекты. Еще один важный момент заключается в том, что по мере затвердевания обычных смол они подвергаются усадке, которая проявляется в изменении оптических свойств, потенциально рассеивая свет внутри объема печати. По мере увеличения размера и сложности изготавливаемых 3D предметов, это также следует принимать во внимание.

Сглаживание неровных краев

Скорость и возможность печатать большие объекты — не единственные преимущества компьютерной осевой литографии. При использовании этой технологии шероховатые края объектов сглаживаются. По сути, печатая предметы за один раз, нет необходимости в наслоении. Также появляется возможность печатать в высоковязких жидкостях, которые сами по себе поддерживают печатаемый объект, что приводит к уменьшению времени для его последующей обработки.

Как выяснилось, CAL можно использовать для печати как на материалах с более высокой вязкостью, так на очень мягких и деликатных материалах. Это может открыть новые возможности, например, для биопечати мягких тканей.

«Допечать» и кастомизация

Новый метод также позволяет производить печатать на уже готовых предметах. Например, с его помощью на стальном стержне для отвертки можно напечатать пластиковую ручку. Эта возможность «надпечати» очень важна для производства потребительских товаров, инструментов или спортивного инвентаря. Это также закладывает основу для облегчения 3D-печати из нескольких разных материалов.

Скорость, ассортимент пригодных материалов и универсальность, которые могут быть достигнуты с помощью компьютерной осевой литографии CAL, потенциально могут быть применены в самых разных отраслях, в числе которых медицина, стоматология, изготовлении биоматериалов и коммерческие продукты, заключают исследователи.