Лазерный 3D-принтер — “универсал” в отрасли

Недавно ученые из Университета Миссури в США разработали метод, позволяющий изготавливать сложные устройства из различных материалов, включая пластмассы, металлы и полупроводники, с помощью всего одного устройства. В исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Communications, описан новый процесс 3D-печати и лазерной обработки, позволяющий изготавливать многокомпонентные многослойные датчики, печатные платы и даже текстильные изделия с электронными компонентами.
Ожидается, что это исследование, получившее название “процесс сборки из нескольких материалов свободной формы”, произведёт революцию в процессе производства новых продуктов. Путем печати датчиков, встроенных в конструкции, устройство может создавать приборы, способные измерять параметры окружающей среды, включая температуру и давление. Для других исследователей это может означать возможность создать объект, выглядящий как естественный, например камень или ракушка, способный измерять поток морской воды. Для широкой публики данное применение закладывает техническую основу для будущих носимых устройств, контролирующих артериальное давление и другие жизненно важные показатели.

В частности, другие технологии уступают в плане универсальности материалов и возможности точного размещения мелких деталей в более крупных 3D-конструкциях. Подход исследовательской группы позволяет решить эти проблемы с помощью специальных методов. Члены команды создали устройство с тремя различными соплами: одно сопло наносит материал, похожий на чернила, другое с помощью лазера вырезает формы и обрабатывает материалы, а третье сопло добавляет дополнительные функциональные материалы для улучшения функциональности изделия.
Сначала изготавливается основная конструкция с использованием обычных нитей для 3D-печати (таких как поликарбонат — прозрачный термопластик). Затем с помощью лазера определённые детали преобразуются в специальный материал, называемый лазерно-индуцированным графеном, и размещаются именно там, где это необходимо. Наконец, добавляются дополнительные материалы для улучшения функциональных характеристик конечного изделия.
“Эта работа была поддержана Программой передовых производственных технологий Национального научного фонда (NSF), а программа NSF I-Corps™ предоставила финансирование для изучения возможностей коммерциализации. Программа I-Corps помогает исследовательской группе выявлять интересы и потребности рынка”, — сказал Цзянь “Джейвен” Линь, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии университета. “На данный момент мы полагаем, что этим заинтересуются другие исследователи, но считаем, что в конечном итоге от этого выиграют компании. Это сократит время, необходимое для создания прототипа устройства, что позволит компаниям изготавливать прототипы собственными силами”. Этот процесс применяется впервые, и он открывает новые возможности, отметил Буцзинда Чжэн, первый автор исследования и докторант по машиностроению в Университете Миссури. “Я очень воодушевлен этой разработкой. Одно из главных преимуществ заключается в том, что разработчики могут сосредоточиться на проектировании новых продуктов, не беспокоясь о том, как изготовить прототипы. Это открывает возможности для совершенно новых рынков”. Лин отметил, что эта технология окажет широкое влияние на развитие носимых датчиков, настраиваемых роботов, медицинских устройств и многого другого.
В настоящее время изготовление многослойных структур, таких как печатные платы, представляет собой трудоемкий процесс, включающий множество этапов и использование различных материалов. Эти процессы являются дорогостоящими, отнимают много времени и приводят к образованию отходов, наносящих вред окружающей среде. Новая технология не только более экологична, но и вдохновлена системами, существующими в природе. Например, по словам Чжэна, у электрических угрей есть скелет и мышцы, позволяющие им двигаться. У них также есть специализированные клетки, способные генерировать напряжение до 500 вольт для отпугивания хищников. Эти биологические наблюдения вдохновили исследователей на разработку новых способов создания трехмерных структур, имеющих широкий спектр применения, однако другие появляющиеся методы имеют свои ограничения.