Исследователи из Фрайбургского университета разработали процесс объёмной 3D-печати, позволяющий изготавливать сложные многокомпонентные детали с микромасштабными внутренними каналами за один этап отверждения. Этот метод, получивший название Embedded Extrusion-Volumetric Printing (EmVP), подробно описан в рецензируемом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications. Он объединяет встраиваемую 3D-печать (EMB3D) с томографическим объёмным аддитивным производством (TVAM), устраняя необходимость в замене ванн или выравнивании после печати.

Процесс заключается в том, что перед проецированием один материал встраивается в другой, используя технологию EMB3D для нанесения чернил в фотополимеризующуюся подложку. Затем оба материала полимеризуются одновременно с помощью TVAM. Для достижения синхронизации команда из Фрайбурга рассчитала время гелеобразования материалов таким образом, чтобы оно совпадало: 59,8 секунды для высокомодульной подложки (подложка 1) и 64,7 секунды для низкомодульной подложки (подложка 2). Каждая смола была модифицирована Aerosil R805 для создания тиксотропной матрицы, подходящей как для экструзии, так и для объемного отверждения. Различия в показателях преломления были минимизированы для уменьшения рассеяния света во время экспонирования.

Схематическое изображение позитивного и негативного процессов печати методом встроенной экструзионной объемной печати (EmVP) с использованием поддерживающих ванн. Изображение предоставлено Nature Communications.

Мат 1 на основе гександиолдиакрилата (HDDA) имел твёрдость по Шору D 27,4 и модуль упругости 122 МПа. Мат 2 на основе Genomer 1122TF имел твёрдость по Шору D 4,9 и модуль упругости 1,28 МПа. Для предотвращения седиментации во время печати обе смолы были загущены до вязкости выше 2000 мПа·с. Время восстановления после снятия сдвига составило 4,7 секунды для Мата 1 и 1,7 секунды для Мата 2, что обеспечило точное нанесение и стабилизацию чернил. УФ-видимая спектроскопия подтвердила, что оба материала сохраняют достаточную светопропускаемость на длине волны проекции 450 нм, используемой в установке TVAM.

Многокомпонентные детали, изготовленные с помощью EmVP, включали в себя уложенные друг на друга сферы двойной твёрдости, нити, встроенные в стенки гибких цилиндров, и актуаторы, состоящие из мягких оболочек, армированных жёсткими встроенными кольцами. Диаметр встроенной нити, полученный с помощью EMB3D, составил 175 мкм. Одна из конструкций представляла собой фигуру Родена, сидящую на жёсткой платформе, встроенной в корпус из мягкой смолы. Испытания на деформацию подтвердили селективный механический отклик. Среднее расстояние Хаусдорфа между напечатанными и смоделированными геометриями составило 0,23 ± 0,28 мм, что, согласно данным микроКТ, демонстрирует пространственную точность при объёмных переходах материалов.

Помимо позитивной интеграции материала, исследователи использовали жертвенные чернила для формирования встроенных пустот. Этот процесс, известный как негативный EmVP, позволяет напрямую создавать полые микроканалы путем вымывания нефотополимеризующихся чернил после объемного отверждения. Используя Pluronic PE3100 в качестве жертвенной фазы, команда напечатала чипы с Y-образным соединением и спиральные цилиндрические конструкции с внутренним диаметром всего 119 мкм. Это разрешение превышает нижний предел в 500 мкм для автономной системы TVAM, где эффекты переотверждения и диффузии обычно ограничивают точность воспроизведения негативных элементов. Диаметры каналов были проверены с помощью микрокомпьютерной томографии с разрешением вокселей 15 мкм.

По сравнению с последовательной многоматериальной объёмной печатью (SMVP), которая требует отверждения одного материала за раз с последующей заменой и выравниванием ванны, EmVP позволяет избежать необходимости в дополнительных опорных конструкциях, сложном механическом позиционировании или двухволновых проекционных системах. В SMVP любое несовпадение может привести к геометрической ошибке или сбою печати. Технология EmVP, разработанная компанией Freiburg, напротив, осуществляет всё отверждение за один объёмный этап, при этом залитый материал удерживается на месте реологическими свойствами окружающей ванны.

Процесс негативного эм-ВП для печати 3D-микрофлюидных чипов с мелкими каналами. Изображение предоставлено Nature Communications.

Предыдущие реализации EmVP ограничивались печатью поверх, когда один материал полностью покрывался другим. Настоящее исследование расширяет эту возможность, позволяя создавать экспонированные, пространственно различимые области, состоящие из разных материалов. Нанося лишь минимально необходимый объём чернил, исследователи минимизировали артефакты просачивания и сократили продолжительность печати EMB3D. Это выборочное нанесение сочеталось с оптимизацией проецирования с использованием оптимизации модели пространства объектов (OSMO), уточнённой с помощью пропорционально-интегрального выравнивания гистограмм. Проекции вычислялись путём вокселизации 3D-модели, прямого проецирования для моделирования световых путей и итеративной корректировки распределения дозы для соответствия геометрии цели.

Чтобы масштабировать процесс без перепроектирования оптики, команда отдала приоритет внедрению материала с более высоким поглощением в качестве основной фазы, что позволило проекциям отверждать всю структуру без чрезмерного поглощения энергии. Такая конфигурация позволяет поддерживать разрешение без уменьшения размера пикселя и увеличения сложности системы. Для производства микроканалов EmVP отделяет разрешение канала от плотности пикселей, позволяя управлять диаметром иглы в процессе EMB3D, что обеспечивает более тонкие внутренние характеристики, чем TVAM.

Фотореологические, реологические и оптические характеристики вспомогательных растворов и чернил, использованных в данной работе. Изображение предоставлено Nature Communications.

Технология EmVP расширяет спектр печатных архитектур в объёмных системах, поддерживая как гетерогенные механические свойства, так и встроенные микрофлюидные геометрии. Области применения включают мягкую робототехнику, прототипирование функциональных деталей и устройства «лаборатория на чипе». Технология работает на традиционном оборудовании TVAM на базе ЖК-дисплеев, не требуя использования селективных по длине волны смол или аппаратного дополнения. Возможность создания позитивных и негативных элементов за один этап объёмной печати открывает путь к масштабируемому многокомпонентному аддитивному производству.

Фото: Подборка деталей, напечатанных с использованием позитивного процесса EmVP

Источник