Onderzoekers hebben een geautomatiseerde 3D-printmethode ontwikkeld die met verschillende materialen veelkleurige 3D-microstructuren kan produceren. De nieuwe methode kan worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan optische componenten te maken, waaronder optische sensoren en door licht aangedreven actuatoren, evenals multimateriaalstructuren voor toepassingen zoals zachte robotica en medische toepassingen.

"Het combineren van meerdere soorten materialen kan worden gebruikt om een ​​functie te creëren die niet kan worden gerealiseerd met een enkel materiaal, "Zei onderzoeksteamleider Shoji Maruo van Yokohama National University in Japan. "Methoden zoals de onze die fabricage in één stap van multimateriaalstructuren mogelijk maken, elimineren assemblageprocessen, waardoor de productie van apparaten met hoge precisie en lage kosten mogelijk is."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optische materialen Express , Maruo en collega's beschrijven hun nieuwe 3D-printmethode en demonstreren deze door verschillende meerkleurige 3D-structuren te maken. Hun techniek is gebaseerd op stereolithografie, een 3D-afdrukmethode die ideaal is voor het maken van microdevices omdat het een strak gefocuste laserstraal gebruikt om ingewikkeld gedetailleerde functies te maken.

"De mogelijkheid om optische elementen op microschaal van meerdere materialen te maken met behulp van 3D-printen kan helpen bij de miniaturisering van optische apparaten die worden gebruikt voor medische behandelingen en diagnoses, "zei Maruo. "Dit zou de mogelijkheid kunnen verbeteren om deze apparaten in of op het lichaam te gebruiken, terwijl ze ook wegwerpbaar zijn, die zou helpen om een ​​geavanceerde en veilige medische diagnose te stellen."

Kleurstereolithografie optimaliseren

Stereolithografie bouwt een zeer nauwkeurige 3D-structuur op door een laser te gebruiken om door licht geactiveerde materialen, bekend als foto-uithardbare harsen, laag voor laag uit te harden. Microfluidics worden vaak gebruikt om de vloeibare harsen vast te houden, maar het is een uitdaging om te voorkomen dat de verschillende harsen elkaar besmetten bij het wisselen van materiaal zonder grote hoeveelheden afval te creëren of luchtbellen in het geprinte object te vormen.

In het nieuwe werk de onderzoekers ontwikkelden een manier om de verschillende materialen in druppelvorm te houden, waardoor ze gemakkelijker kunnen worden uitgewisseld in een gesloten ruimte zoals een microkanaal zonder afval te creëren. Om luchtbellen te onderdrukken, de 3D-geprinte structuur wordt in de hars verplaatst telkens wanneer een hars wordt vervangen. Ze integreerden ook een tweestapsproces voor het reinigen van de 3D-geprinte structuur wanneer de harsen worden vervangen om kruisbesmetting volledig te voorkomen.

Om deze geoptimaliseerde aanpak te implementeren, de onderzoekers creëerden een palet om meerdere harsen te bevatten en plaatsten het, twee reinigingstanks en een blaasmondstuk op een gemotoriseerd podium. "Alle processen, inclusief 3D-printen, hars vervanging, het verwijderen en reinigen van bellen worden achtereenvolgens uitgevoerd met behulp van door ons ontwikkelde software, "zei Maruo. "Hierdoor kunnen automatisch veelkleurige 3D-microstructuren worden gemaakt."

Veelkleurige 3D-structuren maken

De onderzoekers testten de aanpak door verschillende soorten foto-uithardbare harsen in een palet te plaatsen en deze te gebruiken om 3D-microstructuren te creëren. Voor een van deze demonstratiestructuren een kleine veelkleurige kubus van slechts 1,5 millimeter breed, het 3D-printsysteem wisselde 250 keer vijf kleuren hars uit tijdens een fabricageproces van 6 uur. De onderzoekers toonden ook aan dat het aanpassen van het aantal lagen veelkleurige harsen het mogelijk maakte om de absorptie van elk deel van de structuur aan te passen, waardoor ze microstructuren kunnen creëren met kleuren zoals zwart door lagen rood, blauw, groen en geel.

"Deze methode kan niet alleen worden toegepast op veelkleurige harsen, maar ook op een grotere verscheidenheid aan materialen, "zei Maruo. "Bijvoorbeeld, het mengen van verschillende keramische micro- of nanodeeltjes met een fotohardbare hars kan worden gebruikt om verschillende soorten glas te 3D-printen. Het kan ook worden gebruikt met biocompatibele keramische materialen om steigers te maken voor het regenereren van botten en tanden."

De onderzoekers werken nu aan het verkorten van de tijd die nodig is voor processen zoals harsvervanging en het verwijderen van bellen om een ​​nog snellere fabricage mogelijk te maken. Ze zijn ook van plan om technologie te gebruiken die ze eerder hebben gedemonstreerd om een ​​fabricagesysteem op meerdere schalen te bouwen waarin de fabricageresolutie kan worden gewijzigd van minder dan een micrometer tot enkele tientallen micrometers door de focuslens en de laserbelichtingsomstandigheden aan te passen.