Главная проблема современной 3D-печати — это вечный компромисс между скоростью и качеством. Если нам нужна высокая точность, приходится ждать часами. Если нужна скорость — страдает детализация. Группа учёных под руководством академика Дай Цюнхая (Dai Qionghai) из Университета Цинхуа нашла элегантное решение этой дилеммы, применив принципы вычислительной оптики не для захвата изображений, а для создания физических объектов.
Разработанный ими метод под названием DISH (Digital Incoherent Synthesis of Holographic Light Fields — цифровой некогерентный синтез голографических световых полей) позволяет отверждать жидкий фотополимер в сложную трёхмерную конструкцию всего за 0,6 секунды.
Как это работает: свет вращается вместо объекта
В традиционной объёмной (томографической) 3D-печати ёмкость с фотополимером вращается на платформе, пока в неё с разных сторон проецируются изображения. Это требует времени и создаёт вибрации, ограничивающие точность. Кроме того, материал должен быть очень вязким, чтобы он не «стёк» за время долгой печати.
Команда из Цинхуа перевернула этот подход с ног на голову. В системе DISH контейнер с материалом остаётся неподвижным, а вокруг него с бешеной скоростью вращается... само световое поле.
С помощью цифрового микрозеркального устройства (DMD), работающего на частоте 17 000 кадров в секунду, и специально сконструированного вращающегося перископа, лучи проецируются на смолу с разных ракурсов.
«Вместо того чтобы вращать материал, мы вращаем свет. Это позволяет избежать механических колебаний и добиться стабильности, недостижимой при быстром вращении образца», — поясняют авторы разработки.
Технические детали рекорда
Благодаря голографической природе метода учёным удалось решить проблему малой глубины резкости, характерную для высокоточных объективов. Если обычный объектив с числовой апертурой 0,055 обеспечивает резкость всего на 0,4 мм, то технология DISH позволяет фокусировать изображение с тем же качеством на глубине до 1 см.
Ключевые показатели новой технологии выглядят впечатляюще:
- Время печати: 0,6 секунды на объект.
- Разрешение: минимальный размер элемента — до 12 микрометров (это в 4-5 раз тоньше человеческого волоса).
- Скорость построения: 333 кубических миллиметра в секунду.
- Материалы: в отличие от предшественников, DISH работает с материалами разной вязкости — от густых смол до почти воды, что критически важно для биопринтинга.
От линз для смартфонов до живых тканей
Столь высокая производительность открывает дорогу для использования 3D-печати в массовом производстве. Ранее эта технология была хороша лишь для прототипирования, но DISH позволяет говорить о промышленных масштабах.
В своей работе исследователи продемонстрировали возможность интеграции DISH с проточной системой. Представьте себе трубку, по которой течёт жидкий полимер. Лазер «вырезает» в этом потоке готовые детали со скоростью конвейера — и на выходе мы получаем готовые микроскопические изделия.
Где это пригодится в первую очередь:
- Микроэлектроника и оптика: производство сложных линз для камер смартфонов, компоненты для фотонных вычислительных устройств.
- Биомедицина: печать матриц для выращивания тканей, создание микроигл и систем для высокопроизводительного скрининга лекарств.
- Робототехника: создание гибких структур для микророботов и мягких захватов.
Учёные отмечают, что система уже сейчас готова к масштабированию. Установка более мощного лазера и ускорение вращения перископа позволят ещё сильнее сократить время печати. Главным ограничением пока остаётся вычислительный этап: подготовка голографических масок для печати одной модели может занимать до суток, однако исследователи уверены, что внедрение алгоритмов на основе глубокого обучения решит и эту проблему.
Впрочем, пока голографическая печать готовится к выходу из лабораторий, промышленность уже активно использует другие аддитивные технологии — селективное лазерное спекание, FDM-печать и гибридные методы. Подробный обзор этих технологий, их возможностей и примеры внедрения на российских предприятиях — в материале на Tech Ex.