Инженеры объединились с химиками и создали новую технологию трехмерной печати. Для этого они буквально перевернули с ног на голову обычный 3D-принтер и в конечном итоге добились увеличения скорости печати в сто раз.

Чтобы изобрести что-то действительно новое в технологии, существующей уже не один год, нередко нужно посмотреть на нее с противоположной стороны. Скорее всего для этого даже придется перевернуть все с ног на голову или вывернуть наизнанку. Так двигатели внутреннего сгорания вытеснили двигатели внешнего сгорания, хотя инженеры позапрошлого века пророчили будущее господство паровых машин. Сейчас паровые двигатели остались разве что в фантастических повестях жанра «стимпанк». Правда, и бензиновые двигатели уже имеют все шансы остаться лишь на страницах истории, уступив место электрическим. Таких примеров множество, взять тех же компьютерных мышей, которые эволюционировали из шариковых с кабельным хвостом в лазерные и беспроводные. Теперь подобное кардинальное преображение может затронуть технологию 3D-печати, которая за последнее время стала массово доступной.

Технологии лазерной 3D-печати из жидкого фотополимера позволяют создавать объекты самых различных форм. Фото: Danny Choo/Flickr

Принципиальная схема новой технологии 3D-печати, главным элементом которой служит мембрана, прозрачная для УФ-лазера и способная пропускать молекулы кислорода. Рис. М. Абаева

Есть несколько различных технологий трехмерной печати, суть которых заключается в послойном создании объекта нужной формы. Один из широко использующихся методов – это лазерная стереолитография. Как она работает? Изделие создается из жидкого фотополимера – специального вещества, которое затвердевает под действием ультрафиолетового лазера. Лазерный луч обегает контур детали, засвеченные им участки становятся твердыми, а незасвеченные остаются жидкими. Создаваемое изделие погружается слой за слоем в ванну из жидкого полимера. Когда процесс закончился, готовую деталь достают из ванны, удаляют непрореагировавший полимер и проводят заключительную обработку. Технология прекрасно отработана и применяется по всему миру. Но у нее есть один недостаток – скорость, которая не превышает нескольких миллиметров в час. Ведь всегда хочется получить готовый результат как можно быстрее, а не ждать полдня или дольше, когда же он там наконец напечатается.  

Что же так тормозит 3D-печать? Оказалось, что самая медленная стадия во всем процессе – это отвердевание полимера. И дело тут не в лазере или самом полимере, а в кислороде воздуха. Молекулы этого газа растворяются в верхнем слое жидкого полимера и тормозят его отвердевание. Лазерное излучение создает активные молекулы, которые начинают связывать молекулы полимерного материала друг с другом так, что он становится твердым. Кислород же активно мешает этому процессу, в результате чего полимер твердеет намного дольше, чем мог бы. Конечно, можно поместить 3D-принтер в герметичную камеру, в которой вместо кислорода будет, скажем, азот, но это на корню загубит одно из главных достоинств трехмерной печати – простоту использования. Однако химики вместе с инженерами придумали способ, как направить «вредную» деятельность молекул кислорода в полезное для технологии русло, и смогли увеличить скорость печати в сотню раз. Для этого как раз и понадобилось перевернуть все с ног на голову.

Как не допустить кислород к активным молекулам полимера? Поскольку вариант с герметичной камерой отпадает в самом начале, то остается другой: что, если проводить печать не на поверхности ванны с жидким фотополимером, а на глубине, куда с поверхности не доберется ни одна молекула кислорода? Например, сделать у ванны прозрачное дно и светить лазером не сверху, а снизу. Тогда можно было бы печатать деталь, постепенно вытаскивая ее из под слоя жидкого полимера. Вариант хороший, за исключением одного – полимер начнет отвердевать прямо в месте его контакта с прозрачным дном, и создаваемая деталь просто приклеится к ванне. Вот тут-то и заключается все ноу-хау изобретения. Разработчиком удалось сделать так, чтобы изготовляемая деталь не «пригорала» к поверхности ванны. И помог им в этом, как ни странно, тот самый «плохой» кислород.  

Дно ванны для жидкого полимера изготовили из специального тефлонового материала, через который почти свободно могут проникать молекулы кислорода, но в то же время он прозрачен для ультрафиолетового излучения лазера. Что получается? Молекулы кислорода проникают сквозь такую мембрану и растворяются в придонном жидком слое. Лазерный луч, светящий сквозь мембрану, активирует молекулы фотополимера, и те начинают связываться друг с другом, но прилипнуть ко дну им мешает тонкий слой, насыщенный кислородом. Толщина такого «антипригарного» покрытия всего несколько десятков микрометров – примерно как человеческий волос. Найдя баланс между проницаемостью мембраны, свойствами фотополимера и мощностью лазера, можно сделать весь процесс 3D-печати необычайно быстрым.

В своих экспериментах разработчики технологии добились скорости в 500 миллиметров в час, что в сто раз превосходит скорость печати методом обычной лазерной стереолитографии. А напечатанное изделие эффектным образом возникает из ванны, наполненной жидким полимером (видео). 

Фото: Danny Choo/Flickr

По материалам Phys.org и Science