Учёные разработали новый метод 3D-печати способный создавать детали прямо на готовых устройствах за считаные секунды

Исследователи представили новую технологию трёхмерной печати, которая позволяет буквально за несколько секунд создавать новые детали непосредственно на уже существующих объектах или даже вокруг них. Во время испытаний система напечатала микроскопические каналы вокруг стеклянных сфер, изготовила высокоточные шестерни прямо на стальных стержнях и сформировала миниатюрную линзу непосредственно на поверхности работающего светодиода.

Разработка описана в журнале Nature Communications и основана на усовершенствованной версии томографического объёмного аддитивного производства (Tomographic Volumetric Additive Manufacturing, TVAM). В отличие от традиционных 3D-принтеров, которые формируют изделие слой за слоем, новая система практически одновременно «выращивает» весь трёхмерный объект внутри объёма фотополимерной смолы.

Для этого установка проецирует в вращающуюся ёмкость с жидкой фоточувствительной смолой множество специально рассчитанных световых изображений. Когда смола получает достаточную дозу световой энергии, нужная трёхмерная конструкция затвердевает почти мгновенно — весь процесс занимает всего несколько секунд.

Авторы считают, что технология может стать важным шагом на пути внедрения объёмной 3D-печати в промышленность. В реальном производстве инженерам нередко приходится добавлять новые элементы к уже изготовленным деталям, а не создавать изделие полностью с нуля.

Работа также демонстрирует, насколько важную роль начинает играть вычислительное моделирование. Новый подход позволяет с высокой точностью рассчитывать распространение света в материалах, которые могут поглощать, рассеивать, преломлять или отражать излучение.

До сих пор одной из главных проблем объёмной 3D-печати оставалось именно поведение света внутри сложных конструкций. Если в смоле уже находятся металлические, стеклянные или другие элементы, они изменяют траекторию световых лучей, что ухудшает качество печати. Большинство существующих моделей рассматривали такие объекты как полностью прозрачные или полностью непрозрачные, однако в реальных условиях такое упрощение оказывается недостаточным.

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали новую вычислительную платформу Dr.TVAM. Она основана на физически корректной трассировке лучей и моделирует распространение света с учётом отражения, преломления, рассеяния, поглощения, а также формы контейнера и оптических свойств различных материалов. Одновременно программа рассчитывает оптимальные световые проекции, необходимые для формирования требуемой детали.

Благодаря этому стало возможным печатать новые конструкции вокруг компонентов, которые раньше полностью нарушали процесс изготовления.

Одной из самых впечатляющих демонстраций стала печать микрофлюидных каналов внутри уже собранных герметичных камер. Такие устройства содержат микроскопические каналы, по которым перемещаются очень небольшие объёмы жидкости, и широко применяются в биомедицинских исследованиях, диагностике и технологиях «орган-на-чипе».

Обычно подобные каналы изготавливаются отдельно, после чего устройство собирается вручную, что увеличивает риск загрязнения и появления протечек. Новый метод позволил сформировать рабочие каналы непосредственно внутри уже готовой герметичной камеры, несмотря на наличие входных и выходных отверстий, которые могли препятствовать прохождению света.

Исследователи успешно изготовили прямые каналы, разветвлённые сети и спиральные структуры. После завершения печати через них удалось пропустить окрашенную жидкость, подтвердив их работоспособность.

Ещё одним достижением стала так называемая контекстно-зависимая печать. В ходе этого эксперимента внутрь камеры с гидрогелем поместили две небольшие стеклянные сферы. Используя изображения всего с двух камер, система менее чем за минуту автоматически определила их трёхмерное положение и рассчитала индивидуальные параметры печати.

После этого вокруг сфер были сформированы защитные полости, а также полые каналы, соединяющие их с входными и выходными отверстиями камеры. Весь процесс — от обнаружения объектов до изготовления готовой конструкции — занял менее трёх минут.

По мнению авторов, в будущем подобный подход может использоваться в биомедицинском производстве, когда принтер автоматически адаптируется к фактическому расположению живых тканей, органоидов или других биологических объектов, избавляя от необходимости идеально позиционировать их заранее.

Ещё один эксперимент показал важность точного моделирования распространения света при работе с металлическими деталями. Ранее подобные системы предполагали, что металл полностью поглощает свет, однако в действительности полированная поверхность отражает и рассеивает значительную часть излучения.

Для проверки исследователи напечатали шестерню непосредственно на полированном стальном стержне. Когда программа не учитывала рассеяние света, мелкие отверстия шестерни получились плохо сформированными из-за чрезмерной полимеризации материала.

После добавления в модель реалистичного рассеяния света качество печати заметно выросло. Все мелкие элементы шестерни сохранились значительно точнее, что подтвердили как компьютерное моделирование, так и реальные эксперименты.

Авторы также продемонстрировали возможность печати непосредственно на электронных компонентах. Используя систему объёмной печати на основе светодиода, они сформировали миниатюрную линзу и небольшой крестообразный символ прямо на поверхности красного светодиода.

После включения светодиода напечатанная линза проецировала этот символ на экран, фактически превращая обычный светодиод в миниатюрный проектор без какой-либо дополнительной сборки. Эксперимент показал, что в будущем оптические элементы можно будет интегрировать непосредственно в электронные устройства ещё на этапе производства.

По словам исследователей, их работа также подчёркивает важную тенденцию развития аддитивных технологий: программное обеспечение становится столь же важным, как и совершенствование самих 3D-принтеров. Вместо использования упрощённых математических моделей новая система выполняет физически реалистичное моделирование распространения света в объектах практически любой формы и с различными оптическими свойствами материалов.

Авторы сделали программную платформу Dr.TVAM открытой, опубликовав исходный код, файлы конфигурации и экспериментальные данные, чтобы другие исследовательские группы могли воспроизводить результаты и развивать технологию.

Хотя пока все эксперименты выполнены в лабораторных условиях, технология может найти применение в самых разных областях. Она позволит создавать стерильные микрофлюидные системы без сложной сборки, интегрировать линзы непосредственно в источники света и добавлять функциональные элементы к уже готовым промышленным изделиям без полной переработки производственного процесса.

В дальнейшем исследователи планируют ещё больше повысить точность технологии, включив в вычисления дополнительные физические процессы, такие как изменение показателя преломления материала во время полимеризации и диффузию химических ингибиторов. Это позволит изготавливать ещё более сложные и функциональные устройства.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.