Інженери об'єдналися з хіміками і створили нову технологію тривимірного друку. Для цього вони буквально перевернули з ніг на голову звичайний 3D-принтер і в кінцевому підсумку домоглися збільшення швидкості друку в сто разів.
Щоб винайти щось дійсно нове в технології, що існує вже не один рік, нерідко потрібно подивитися на неї з протилежного боку. Швидше за все для цього навіть доведеться перевернути все з ніг на голову або вивернути навиворіт. Так двигуни внутрішнього згоряння витіснили двигуни зовнішнього згоряння, хоча інженери позаминулого століття пророкували майбутнє панування парових машин. Зараз парові двигуни залишилися хіба що у фантастичних повістях жанру «стимпанк». Щоправда, і бензинові двигуни вже мають всі шанси залишитися лише на сторінках історії, поступившись місцем електричним. Таких прикладів безліч, взяти тих же комп'ютерних мишей, які еволюціонували з кулькових з кабельним хвостом в лазерні і бездротові. Тепер подібне кардинальне перетворення може торкнутися технології 3D-друку, яка за останній час стала масово доступною.
Є кілька різних технологій тривимірного друку, суть яких полягає в післяйному створенні об'єкта потрібної форми. Один з широко використовуваних методів - це лазерна стереолітографія. Як вона працює? Виріб створюється з рідкого фотополімеру - спеціальної речовини, яка ствердіває під дією ультрафіолетового лазера. Лазерний промінь обігає контур деталі, засвічені ним ділянки стають твердими, а незасвічені залишаються рідкими. Створюваний виріб занурюється шар за шаром у ванну з рідкого полімеру. Коли процес закінчився, готову деталь дістають з ванни, видаляють полімер, що непрореагував, і проводять заключну обробку. Технологія прекрасно відпрацьована і застосовується по всьому світу. Але у неї є один недолік - швидкість, яка не перевищує декількох міліметрів на годину. Адже завжди хочеться отримати готовий результат якомога швидше, а не чекати півдня або довше, коли ж він там нарешті надрукується.
Що ж так гальмує 3D-друк? Виявилося, що найповільніша стадія у всьому процесі - це відвердження полімеру. І справа тут не в лазері або самому полімері, а в кисні повітря. Молекули цього газу розчиняються у верхньому шарі рідкого полімеру і гальмують його відвердження. Лазерне випромінювання створює активні молекули, які починають пов'язувати молекули полімерного матеріалу один з одним так, що він стає твердим. Кисень же активно заважає цьому процесу, в результаті чого полімер твердіє набагато довше, ніж міг би. Звичайно, можна помістити 3D-принтер в герметичну камеру, в якій замість кисню буде, скажімо, азот, але це на корені загубить одне з головних достоїнств тривимірного друку - простоту використання. Однак хіміки разом з інженерами придумали спосіб, як спрямувати «шкідливу» діяльність молекул кисню в корисне для технології русло, і змогли збільшити швидкість друку в сотню разів. Для цього якраз і знадобилося перевернути все з ніг на голову.
Як не допустити кисень до активних молекул полімеру? Оскільки варіант з герметичною камерою відпадає на самому початку, то залишається інший: що, якщо проводити друк не на поверхні ванни з рідким фотополімером, а на глибині, куди з поверхні не добереться жодна молекула кисню? Наприклад, зробити у ванни прозоре дно і світити лазером не зверху, а знизу. Тоді можна було б друкувати деталь, поступово витягуючи її з під шару рідкого полімеру. Варіант хороший, за винятком одного - полімер почне відображати прямо в місці його контакту з прозорим дном, і створювана деталь просто приклеїться до ванні. Ось тут і полягає все ноу-хау винаходу. Розробником вдалося зробити так, щоб вироблена деталь не «пригорала» до поверхні ванни. І допоміг їм у цьому, як не дивно, той самий «поганий» кисень.
Дно ванни для рідкого полімеру виготовили зі спеціального тефлонового матеріалу, через який майже вільно можуть проникати молекули кисню, але в той же час він прозорий для ультрафіолетового випромінювання лазера. Що виходить? Молекули кисню проникають крізь таку мембрану і розчиняються в придонному рідкому шарі. Лазерний промінь, що світить крізь мембрану, активує молекули фотополімеру, і ті починають зв'язуватися один з одним, але прилипнути до дна їм заважає тонкий шар, насичений киснем. Товщина такого «антипригарного» покриття всього кілька десятків мікрометрів - приблизно як людське волосся. Знайшовши баланс між проникністю мембрани, властивостями фотополімеру і потужністю лазера, можна зробити весь процес 3D-друку надзвичайно швидким.
У своїх експериментах розробники технології домоглися швидкості в 500 міліметрів на годину, що в сто разів перевершує швидкість друку методом звичайної лазерної стереолітографії. А надрукований виріб ефектним чином виникає з ванни, наповненої рідким полімером (відео).
Фото: Danny Choo/Flickr
За матеріалами Phys.org і Science