研究者らは高解像度3Dプリントのコストを削減できるデュアルレーザー方式を開発

2024年7月3日、アンタークティックベアは、パデュー大学の研究者が、2本のレーザービームを使用して複雑で高解像度の構造を3Dプリントする新しい2光子重合技術を開発したことを知りました。

△レーザー閾値パワーが約50％のときの3Dプリント構造。スケールバー: 5 マイクロメートル従来の 2 光子重合技術では、通常、高価なフェムト秒レーザーが使用されるため、製造業における広範な応用が制限されますが、この技術は高解像度の微細構造の製造に適しています。コストと効率の問題に対処するため、研究チームは可視光レーザーと赤外線パルスフェムト秒レーザーを組み合わせ、フェムト秒レーザーの電力要件を削減し、印刷スループットを向上させました。

△研究タイトルは「集積ファイバー結合レーザーダイオードの2段階吸収技術に基づく高解像度3Dナノプリント技術」（ポータル）
研究者らは、デュアルレーザーアプローチにより、必要なフェムト秒レーザー3Dプリント電力を最大50パーセント削減できることをOptics Express誌に報告している。この革新は、個々の部品の製造コストを削減するだけでなく、印刷プロセスの効率と実現可能性を向上させ、複雑なコンポーネントやカスタマイズされた製品の製造に 3D 印刷技術を応用する新たな可能性を切り開きます。

「高解像度の 3D 印刷には、3D 電子デバイス、バイオメディカル分野のマイクロロボット、組織工学用の 3D 構造や足場など、多くの用途があります」と、パデュー大学の研究チームのリーダーである Xianfan Xu 氏は述べています。「私たちの新しい 3D 印刷方法は、多くの既存のフェムト秒レーザー 3D 印刷システムに簡単に実装できます。」

△アニメーション画像は、フェムト秒レーザーのみを閾値電力の50%で使用した場合、印刷が成功しなかったことを示しています（左）。 2 番目のレーザー (緑) をフェムト秒レーザーの閾値電力の 50% で使用すると、印刷は成功しました。
適切なレーザーバランスを見つける

この新しい研究は、2光子重合印刷の速度を上げ、コストを削減するための研究チームの取り組みの一環です。 2光子重合は、2光子吸収の現象を利用して、感光性材料を正確に硬化または固化します。

「従来の2光子重合3Dプリンティングでは、印刷前にまずフェムト秒レーザーを使用して光化学プロセスを開始し、材料内の阻害物質を減らします」と徐氏は言う。「私たちはこの目的を達成するために低コストのレーザーを使用しました。」

新しい方法は、532ナノメートルのナノ秒レーザーからの単一光子吸収と、800ナノメートルのフェムト秒レーザーからの2光子吸収を組み合わせたものです。これを効果的にするために、研究者たちは2つのレーザーの印刷効果と抑制効果の適切なバランスを見つける必要がありました。

これを実現するために、研究者らは関連する光化学プロセスを理解し、2光子励起プロセスと1光子励起プロセスの複合効果を計算するのに役立つ新しい数学モデルを作成しました。このモデルを使用して、研究者らは、望ましい印刷結果を得るためにフェムト秒レーザー出力をどの程度低減できるかを制御する主なプロセスも特定しました。

△新しい2光子重合技術は、比較的低コストのナノ秒パルスレーザーと低出力のフェムト秒レーザーを組み合わせることで、より低いレーザー出力で複雑な高解像度構造を3Dプリントすることを可能にします。
高解像度構造の印刷

新しい方法を微調整した後、研究チームはそれを用いて、より低いフェムト秒レーザー出力を使用してさまざまな2次元および3次元構造を印刷しました。これらの構造には、わずか 25 × 25 × 10 μm の微細な木の山のほか、マイクロメートル規模のステップダウン球、キラル構造、三つ葉の結び目などが含まれます。実験結果によると、新しい方法により、2次元構造に必要なフェムト秒レーザー出力が80%削減され、3次元構造に必要なフェムト秒レーザー出力が約50%削減されます。

この進歩により、高解像度の 3D 印刷プロセスのコストが削減され、さまざまなアプリケーションでより広く使用されるようになる可能性があります。徐氏はさらに、「この新しい印刷方法は製造技術に影響を与え、現在および将来の家電製品やヘルスケア機器の開発に影響を及ぼす可能性がある」と付け加えた。

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