Специалисты продемонстрировали инновационную методику трехмерной печати, дающую возможность формировать новые компоненты за считанные секунды прямо на уже имеющихся конструкциях или даже в их окружении. В ходе демонстраций устройство создало микроскопические каналы вокруг стеклянных шаров, изготовило высокоточные зубчатые колеса непосредственно на стальных штифтах и сформировало миниатюрную линзу на поверхности функционирующего светодиода.

Описание разработки опубликовано в издании Nature Communications и базируется на усовершенствованной реализации томографического объемного аддитивного производства (TVAM). В отличие от обычных 3D-принтеров, которые создают объект слой за слоем, новая система практически одновременно «выращивает» трехмерный предмет внутри объема фотополимерной смолы.

Для этого установка проецирует в вращающийся контейнер с жидкой светочувствительной смолой множество тщательно вычисленных изображений. Когда смола получает необходимую дозу света, требуемая трёхмерная структура быстро застывает – весь цикл занимает всего несколько секунд.

Разработчики полагают, что данное решение может стать значительным продвижением к интеграции объемной 3D-печати в производственные процессы. В реальных условиях производства инженерам часто требуется добавлять новые элементы к уже готовым деталям, а не создавать изделие с самого начала.

Исследование также подчеркивает возрастающую значимость компьютерного моделирования в этой области. Инновационный метод обеспечивает точный расчет того, как свет взаимодействует с веществами, способными поглощать его, отклонять от прямого пути, менять направление или отражать.

Ранее одним из основных препятствий для трехмерной печати объемных объектов было сложное взаимодействие света внутри замысловатых структур. Наличие металлических включений, стеклянных частиц и других компонентов в полимерном материале искажает путь световых потоков, что негативно сказывается на конечном результате. Предыдущие модели часто делали допущение о полной прозрачности или непрозрачности объектов, однако такое упрощенное представление не соответствует действительности.

Для преодоления этой трудности специалисты создали новую вычислительную систему под названием Dr.TVAM. Она базируется на методе физически обоснованной трассировки лучей и позволяет имитировать распространение света с учетом отражений, преломлений, рассеяния, поглощения, а также геометрии контейнера и оптических характеристик различных материалов. Параллельно программа определяет оптимальные световые проекции для создания необходимой детали.

В результате появилась возможность создавать новые изделия вокруг компонентов, которые ранее делали процесс производства невозможным.

Поразительным достижением стало создание микроканалов внутри полностью собранных и запаянных камер. Эти приборы, включающие в себя крошечные каналы для транспортировки малых количеств жидкости, находят широкое применение в биомедицинских разработках, аналитических процедурах и технологиях моделирования органов.

Традиционно такие микроканальные структуры производятся отдельно, а затем устройство собирается вручную. Этот процесс повышает вероятность загрязнения и возникновения утечек. Инновационный подход позволил сформировать функциональные каналы прямо внутри уже готовой герметичной камеры, несмотря на наличие отверстий для входа и выхода, которые потенциально могли бы блокировать световой поток.

Учёным удалось создать как простые прямые проходы, так и сложные разветвлённые сети с закрученными элементами. После завершения процесса формирования каналов через них была проведена окрашенная жидкость, что подтвердило их корректную работу.

Значительным прогрессом стала также контекстно-зависимая печать. В рамках этого эксперимента две небольшие стеклянные сферы были помещены внутрь камеры с гидрогелем. Используя данные визуализации только из двух камер, система менее чем за минуту автоматически вычислила их трёхмерное расположение и определила индивидуальные настройки печати.

Впоследствии вокруг этих структур были созданы защитные пространства и пустые проходы, обеспечивающие связь между ними и порталами камеры. Весь цикл – от идентификации элементов до создания готового изделия – потребовал менее трёх минут.

Разработчики полагают, что в перспективе данная технология может найти применение в сфере биомедицинской инженерии, где устройство сможет самостоятельно корректировать свои действия под реальное расположение биологических материалов, таких как ткани или органоиды, исключая необходимость предварительной точной установки.

Дополнительное исследование подчеркнуло критическую роль корректного расчета распространения светового потока при работе с металлическими компонентами. Ранее считалось, что металл полностью поглощает свет, но на практике отполированная поверхность отражает и рассеивает ощутимую долю энергии.

Чтобы убедиться в этом, учёные создали шестерню прямо на полированной стальной поверхности. При отсутствии учета диффузии света в программе, мелкие отверстия детали оказались нечеткими из-за переизбытка отверждения материала.

Внедрение в программное обеспечение имитации естественного распределения световых лучей привело к существенному улучшению результатов печати. Детализированные части шестерни воспроизводились с гораздо большей точностью, что было подтверждено как виртуальными расчетами, так и практическими испытаниями.

Кроме того, разработчики продемонстрировали возможность нанесения изображений непосредственно на электронные компоненты. Применяя технологию трехмерной печати со светодиодным источником света, они создали крошечную линзу и небольшой крест прямо на поверхности красного диода.

При активации светодиода отпечатанная линза спроецировала этот символ на экран, тем самым преобразовав обычный светоизлучающий элемент в миниатюрный проектор без необходимости дополнительной сборки. Этот опыт указывает на перспективу интеграции оптических деталей непосредственно в электронные устройства уже во время производственного процесса.

По мнению ученых, их исследование акцентирует внимание на значимой тенденции эволюции технологий аддитивного производства: программное обеспечение приобретает не меньшее значение по сравнению с совершенствованием самих трехмерных принтеров. Вместо применения упрощенных математических вычислений новая система выполняет реалистичную симуляцию распространения света в объектах, обладающих сложной геометрией и разнообразными оптическими характеристиками.

Разработчики платформы Dr.TVAM сделали ее общедоступной, предоставив доступ к исходному коду, настройкам и результатам экспериментов. Это сделано для того, чтобы другие научные коллективы могли повторить полученные данные и усовершенствовать данное решение.

Несмотря на то, что все проведенные испытания проходили в лабораторной среде, технология обладает потенциалом применения во множестве направлений. Она предоставляет возможность создания стерильных микрофлюидных систем без необходимости трудоемкой сборки, интегрировать линзы непосредственно с источниками света и добавлять полезные компоненты к существующим промышленным продуктам, избегая при этом полной перестройки производственного цикла.

В перспективе ученые намерены увеличить точность технологии за счет включения в расчеты дополнительных физических факторов. К ним относятся изменения коэффициента преломления материала во время полимеризации и перемещение химических веществ-ингибиторов. Это позволит производить еще более сложные и многофункциональные устройства.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.