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3D-Druck des kleinsten Schiffes der Welt

Der in den 3er Jahren entstandene 1980D-Druck hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und gilt als „eines der wichtigen Symbole der dritten industriellen Revolution“. Anfang dieses Monats verwendeten Physiker der Universität Leiden in den Niederlanden den 3D-Druck, um das kleinste Schiff der Welt zu drucken, das nur 30 Mikrometer lang ist und damit nur sechsmal größer als Bakterienzellen ist.

Mit einem Rasterelektronenmikroskop fotografierten die Forscher das Schiff und zeigten, dass es eine offene Kabine, einen Schornstein und sogar kleine Bullaugen hat. Besonders beeindruckend ist, dass die Dicke des gesamten Modells nur ein Drittel des Durchmessers eines menschlichen Haares beträgt. Die Forscher des Projekts sagten, dass sie hoffen, es in Zukunft für eine präzise zielgerichtete Medikamentenabgabe im menschlichen Körper anwenden zu können.

3D-Druck des kleinsten Schiffes der Welt

Welcher technologische Wandel steckt von der offiziellen Geburt bis zum Eintritt in den Mikrokosmos hinter dem rasanten Fortschritt der 3D-Drucktechnologie? Wie schaffen Wissenschaftler ein Objekt in einem mikroskopischen Raum von wenigen Kubikmikrometern?

Die traditionelle 3D-Drucktechnologie hat ihre eigenen Vorteile

Der traditionelle subtraktive Fertigungsprozess bezieht sich auf die Verwendung vorhandener geometrischer Modellwerkstücke und die Verwendung von Werkzeugen, um die Materialien nach und nach zu schneiden, zu polieren und zu gravieren, um schließlich zu den erforderlichen Teilen zu werden. Und 3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung, soll mithilfe von 3D-Druckgeräten digitale dreidimensionale Modelle schichten. Spezielle Materialien wie Metallpulver, thermoplastische Materialien und Harze werden kontinuierlich gestapelt und Schicht für Schicht verbunden und schließlich zu einem dreidimensionalen Ganzen überlagert.

Cao Jianwei, Leiter der Question Mark System Integration Co., Ltd. in Baotou, Innere Mongolei, sagte gegenüber Reportern: „Einfach ausgedrückt muss der 3D-Druck zunächst ein dreidimensionales Volumenmodell entwerfen. Der Drucker wandelt das digitale Modell in eine Reihe von Bewegungsanweisungen um, die der dreidimensionale Drucker benötigt. Die eingestellte Trajektorie legt wiederholt Materialien auf die Druckplatte und verschmilzt kontinuierliche Materialschichten, bis das endgültige dreidimensionale Modell entsteht.“

Es versteht sich, dass die Fusionsdepositionstechnologie (FDM) und die Lichthärtungstechnologie (SLA) derzeit die beiden gängigsten und ausgereiftesten 3D-Drucktechnologien sind.

„Fused Deposition 3D-Druck wird auch als Fused Deposition 3D-Druck bezeichnet. Es erhitzt und schmilzt filamentöse Hotmelt-Materialien und drückt sie durch eine Düse mit einer feinen Düse aus. Entsprechend der eingestellten Bewegungsbahn wird das Material in der Produktion abgeschieden. On die Platte oder das verfestigte Material der vorherigen Schicht (das Material verfestigt sich, wenn die Temperatur niedriger als ein bestimmter Wert ist), das Endprodukt wird durch die Anhäufung von Materialschichten gebildet.“ Cao Jianwei sagte. Beim lichthärtenden 3D-Druck wird flüssiges lichtempfindliches Harz als Rohmaterial verwendet, und ein von einer numerischen Steuerung gesteuerter Scanner strahlt einen Laserstrahl auf die Oberfläche des flüssigen lichtempfindlichen Harzes gemäß dem entworfenen Scanpfad, so dass eine Harzschicht in einer bestimmten Bereich der Oberfläche wird gehärtet, und es ist eine Schicht. Nach Abschluss der Bearbeitung wird ein Querschnitt des Teils erzeugt; dann wird die Hebebühne um eine bestimmte Strecke abgesenkt, und eine weitere Schicht flüssigen Harzes wird auf die ausgehärtete Schicht aufgetragen und dann wird die zweite Schicht abgetastet. Die zweite ausgehärtete Schicht ist fest mit der vorher ausgehärteten Schicht verbunden. Durch eine solche schichtweise Überlagerung entsteht ein dreidimensionaler Werkstück-Prototyp. Nachdem der Prototyp aus dem Harz herausgenommen wurde, wird er endgültig ausgehärtet und dann poliert, galvanisiert, lackiert oder gefärbt, um das gewünschte Produkt zu erhalten.

Es versteht sich, dass es eine Vielzahl von Rohstoffen gibt, die beim Fusion-Stacking-3D-Druck verwendet werden können, und Druckeinstellungen und Hardwarezubehör können je nach Bedarf geändert werden, was einer kundenspezifischen Produktion zuträglicher ist und sich an die Verwendung anpassen kann Bedarf an spezialisierteren Szenarien. Der lichthärtende 3D-Druck kann eine Auflösung von 0.1 mm erreichen und ist glatt und detailliert Oberflächenbehandlung, das vom Fusion-Stacking-3D-Druck unübertroffen ist.

Neue Technologie verbessert die Druckgenauigkeit und -geschwindigkeit weiter

Bei der lichthärtenden 3D-Drucktechnologie beim Drucken auf der „Fest-Flüssig-Bonding-Oberfläche“ und beim schichtweisen Stapeln ist es unvermeidlich, dass winzige „Wellen“ erzeugt werden. Diese „Wellen“ sind so subtil, dass sie kaum zu beobachten sind. Der Grund, warum der Druckeffekt nicht beeinträchtigt wird, ist, dass die Präzision des lichthärtenden 3D-Drucks noch weit von der Präzision im Nanometerbereich entfernt ist.

Mit kontinuierlichen Durchbrüchen in der Forschungs- und Entwicklungstechnologie wurde der 3D-Druck erfolgreich in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin, dem Bauwesen, der Automobilindustrie und anderen Bereichen eingesetzt, und die Fertigungsindustrie stellt immer höhere Anforderungen an die Teilegenauigkeit.

Der hochpräzise 3D-Druck, repräsentiert durch den Zwei-Photonen-3D-Druck (TPP), wird aufgrund seiner bemerkenswerten Eigenschaften hoher Effizienz und hoher Präzision immer beliebter.

Der Zwei-Photonen-3D-Druck, auch bekannt als Zwei-Photonen-Polymerisations-Lichthärtungsformtechnologie, verwendet ebenfalls lichtempfindliches Harz. Der Unterschied besteht darin, dass die herkömmliche Photohärtungstechnologie eine Einzelphotonenpolymerisation verwendet und ein Photon als Grundeinheit absorbiert. In seltenen Fällen werden aufgrund des speziellen Energieniveauübergangsmodus in Materie zwei Photonen gleichzeitig absorbiert, was der „Zwei-Photonen-Absorptionseffekt“ ist. Aber nur im Zentrum des hochfokussierten Lasers ist die Bestrahlungsstärke so hoch, dass zwei Photonen gleichzeitig absorbiert werden.

Unter normalen Umständen haben gewöhnliche Gegenstände wie ein Stück Glas oder ein Wasserglas eine bestimmte Lichtdurchlässigkeit und Absorptionsrate einer bestimmten Wellenlänge, und dieses Verhältnis ändert sich nicht mit der Änderung der Lichtintensität. Der Zwei-Photonen-Absorptionseffekt nimmt jedoch mit zunehmender Lichtenergiedichte zu.

„Erst wenn die Lichtintensität einen bestimmten Wert erreicht, tritt der offensichtliche Zwei-Photonen-Absorptionseffekt auf. Durch die Fokussierung des Lasers kann der Reaktionsbereich auf einen Bereich mit einem sehr kleinen Fehler in der Nähe des Brennpunkts begrenzt werden Präzisions-Bewegungstisch, der Brennpunkt liegt auf dem lichtempfindlichen Bewegen innerhalb der Substanz, die Position, an der der Fokus vorbeigeht, und die lichtempfindliche Substanz wird denaturiert und verfestigt, 3D-Objekte jeder Form können gedruckt werden, und die Genauigkeit kann die Nanometer-Ebene.“ Cao Jianwei sagte Reportern.

Berichten zufolge verwendet der Zwei-Photonen-3D-Druck Laser, um Punkt für Punkt und dann Schicht für Schicht zu schreiben. Dieses Druckverfahren „von Punkten zu Oberflächen und dann Schicht für Schicht“ ist sehr genau, aber sehr langsam (ca. 0.1 Kubikmillimeter pro Stunde). ), dauert selbst die Herstellung von Kleinteilen Tage oder sogar Wochen. Außerdem hat die Laserlichtquelle eine Lebensdauerbegrenzung. Im Allgemeinen kann jede Maschine nur etwa 20,000 Stunden verwendet werden. Die langfristige Nutzung hat die hohen Kosten des Zwei-Photonen-3D-Drucks verursacht.

Im Jahr 2019 entwickelten Chen Shiqi, außerordentlicher Professor am Department of Mechanical and Automation Engineering, Faculty of Engineering, The Chinese University of Hong Kong, und sein Team die „Femtosekunden-Projektions-Zwei-Photonen-Lithographie-3D-Druck“-Technologie (FP-TPL). , die die ursprüngliche Druckgeschwindigkeit um das Tausend- bis Zehntausendfache erhöht hat. Es versteht sich, dass diese Technologie ein programmierbares optisches Femtosekundenblatt in einer Ebene senkrecht zum Laserstrahl zum parallelen Schreiben bilden kann. Dies entspricht der gleichzeitigen Projektion von Millionen von Laserbrennpunkten, um herkömmliche Fokussierungsmethoden zu ersetzen. Mit anderen Worten, die Femtosekunden-Projektions-Zwei-Photonen-Lithographie-3D-Drucktechnologie kann die gesamte Ebene innerhalb der Zeit von einem Punkt herstellen, der durch die Zwei-Photonen-3D-Drucktechnologie hergestellt wurde, wodurch die Herstellungszeit von wenigen Tagen auf wenige Minuten reduziert wird.

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