CLIP-technologie (Continuous Liquid Interface Production) breekt door de technische barrières van traditionele fotocurings-3D-printtechnologieën. Deze geavanceerde techniek, gebaseerd op Digital Light Processing (DLP), werd gepresenteerd in een artikel op de voorpagina van Science. Wat deze technologie bijzonder maakt, is de snelheid waarmee geprinte objecten worden vervaardigd – tot wel 480 mm per uur. Dit is mogelijk door de inzet van een zuurstofdoorlatend membraan, dat cruciaal is voor het continu printen van objecten. Dit membraan bevindt zich aan de onderkant van het harsreservoir en zorgt ervoor dat zuurstof in het hars kan doordringen. Door deze zuurstofremming wordt de polymerisatie van vrije radicalen tegengehouden, zodat de hars in de onderste lagen van het reservoir niet uithardt. Dit maakt het mogelijk om de vloeibare staat van de hars te behouden, zelfs tijdens het printproces, waardoor de platformbewegingen van het printbed minder frequent hoeven te zijn. Dit leidt tot een aanzienlijke versnelling van het printproces.

Een van de belangrijkste voorwaarden voor het behalen van een hoge printsnelheid met CLIP is het gebruik van holle structuren. Dergelijke structuren verminderen de oppervlakte van de verhardingszone per laag, waardoor het omringende vloeibare hars snel de geprinte gebieden kan aanvullen. Voor massieve objecten is dit proces minder efficiënt, omdat de vloeibare hars meer tijd nodig heeft om zich naar het midden van het object te verplaatsen, wat de snelheid aanzienlijk vertraagt. De viscositeit van de fotosensitieve hars is een andere cruciale factor. Hoe lager de viscositeit, hoe beter de vloeibare hars zich kan verspreiden, wat essentieel is voor een snelle en efficiënte productie.

De meest succesvolle toepassing van CLIP is het printen van schoenzolen of -mallen. Om de mechanische eigenschappen zoals elasticiteit, rekbaarheid en slijtvastheid te optimaliseren, wordt vaak gebruik gemaakt van een dubbele uithardingsmodus: eerst via fotopolymerisatie, gevolgd door een secundaire verhitting in een oven. Deze techniek biedt een aanzienlijke verbetering ten opzichte van traditionele fotocuringstechnologieën die voornamelijk in industriële toepassingen worden gebruikt.

In 2019 breidde de technologie zich uit door de introductie van volumetrische 3D-printtechnologie, gepresenteerd door teams van UC Berkeley en Lawrence Livermore National Laboratory. Deze technologie, die gebruikmaakt van tomografische reconstructie om objecten in 3D te bouwen, stelt ons in staat om objecten te printen zonder de traditionele laag-voor-laag methode. In plaats daarvan wordt een reeks 2D-afbeeldingen geprojecteerd in een cilindrisch vat met fotosensitieve hars, die zich vervolgens tot een 3D-object vormen. Het gebruik van X-stralen en andere complexe algoritmes zorgt ervoor dat de hars zich efficiënt solidificeert op de juiste plekken. De snelheid van volumetrische printtechnologie is ongeëvenaard, met prints die in enkele seconden kunnen worden voltooid. De mogelijkheid om objecten snel te produceren wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van resins met lage viscositeit en de flexibiliteit om diverse structuren te printen.

Deze technologie heeft echter enkele beperkingen, zoals de vereiste van transparante harsen en de beperking tot het printen van kleinere objecten. Bovendien zijn de gebruikte algoritmes vrij complex, wat de toegankelijkheid van de technologie voor kleinere bedrijven beperkt. Toch biedt volumetrische printen de potentie voor een revolutie in het productieproces, vooral voor toepassingen waarbij snelheid van cruciaal belang is.

Een andere recente ontwikkeling, gepresenteerd door Martin P. de Beer en Harry L. van der Laan in 2019, biedt een nieuwe benadering van volumetrisch 3D-printen. Door het gebruik van een complex chemisch systeem waarbij verschillende fotoinitiators met verschillende golflengtes tegelijkertijd actief zijn, kan de hars aan de onderkant van het vat vloeibaar blijven terwijl het proces toch doorloopt. Dit zorgt voor een continue productie zonder de noodzaak van meerdere liftbewegingen van het platform, wat de efficiëntie en snelheid verder verhoogt.

Naast de technologische vooruitgangen, is het ook belangrijk om te begrijpen dat de keuze van het materiaal voor fotocuring 3D-printen van groot belang is voor de uiteindelijke prestaties van het geprinte object. Fotosensitieve harsen moeten goed afgestemd zijn op de lichtbron en de intensiteit van de lichtbron van de printer. De viscositeit van de hars is eveneens van belang, omdat het de stroom van de hars beïnvloedt, vooral bij technologieën die gebruik maken van continue opbouw of liftbewegingen. Een lage viscositeit is dus essentieel voor een snelle en effectieve productie.

Voor de toepassingen van deze technologieën is het belangrijk om te realiseren dat de keuze van het type hars, de intensiteit van het licht en de mate van zuurstofdoorlatendheid van de gebruikte membranen bepalend zijn voor het succes van de 3D-print. Het is dus niet alleen de technologie zelf, maar ook de materiaalkeuze die de uiteindelijke kwaliteit en snelheid van het printproces beïnvloedt. De juiste afstemming van deze factoren bepaalt de effectiviteit en de toepasbaarheid van fotocuring 3D-printtechnologie in verschillende industriële sectoren.

Hoe twee-foton polymerisatie de ontwikkeling van 3D-nanoprinting aandrijft

In de jaren negentig werd de ontdekking van organische fotoresists met een grote twee-foton absorptie (TPA) doorslaggevend voor de snelle vooruitgang van technologieën gerelateerd aan TPA. Dit fenomeen houdt in dat een molecuul twee fotonen moet absorberen binnen een kort tijdsbestek om voldoende energie te verkrijgen voor de overgang naar een hogere energietoestand. In tegenstelling tot de traditionele absorptie van een enkel foton, waarbij een molecuul van de grondtoestand naar de aangeslagen toestand overgaat, vereist TPA de gelijktijdige of sequentiële absorptie van twee fotonen.

Bij sequentiële absorptie wordt het molecuul in een echte tussenliggende toestand gebracht na het absorberen van het eerste foton, waarna het tweede foton wordt geabsorbeerd. In het geval van gelijktijdige absorptie wordt een virtuele tussenliggende toestand bereikt na absorptie van het eerste foton, waarna de absorptie van het tweede foton snel moet volgen om de overgang naar de aangeslagen toestand te voltooien. Dit proces heeft niet alleen invloed op de manier waarop energie wordt overgedragen binnen het molecuul, maar bepaalt ook hoe de absorptie zich concentreert in de brandpuntszone van de laserstraal.

De TPA absorptie is afhankelijk van de intensiteit van de laserbundels: wanneer beide fotonen dezelfde energie hebben, wordt de waarschijnlijkheid van de overgang bepaald door het kwadraat van de intensiteit van de laserstraal. Als de fotonen verschillende energieën hebben, is de overgangsprobabiliteit relatief aan het product van de intensiteiten van de twee bundels. Dit verklaart waarom TPA-absorptie zich vrijwel uitsluitend voordoet in de brandpuntszone van de laserstraal, wat de ruimtelijke controle van het proces aanzienlijk vergemakkelijkt.

Het proces van twee-foton polymerisatie (TPP) is de sleutel tot de fabricage van gedetailleerde 3D-structuren door middel van femtoseconde lasers. TPP omvat de polymerisatie van monomeren, geïnitieerd door de fotoinitiators die via TPA worden geactiveerd. De fotoinitiator zelf kan geen radicalen genereren zonder eerst fotonen te absorberen. Nadat het fotoinitiator in de aangeslagen toestand is gebracht, geeft het energie af aan niet-gepolymeriseerde monomeren, waardoor de polymerisatie op gang komt. De reactie verloopt in drie fasen: initiatie, kettingreactie en beëindiging. In de eerste fase absorbeert de fotoinitiator een foton en komt in een aangeslagen toestand, waarna deze radicalen genereert. In de tweede fase reageren de radicalen met de monomeren, waardoor een kettingreactie op gang komt die zich uitbreidt. Uiteindelijk eindigt het proces wanneer twee radicalen elkaar ontmoeten en een stabiele polymerenstructuur vormen.

Om twee-foton polymerisatie effectief te laten plaatsvinden, zijn zowel externe als interne factoren van belang. Extern gezien is een laser met voldoende lichtintensiteit essentieel om TPA te veroorzaken. Dit kan worden bereikt met behulp van een femtoseconde laserstraal, die de vereiste hoge intensiteit kan leveren bij een relatief lage gemiddelde vermogensdichtheid. Dit zorgt voor een uitstekende ruimtelijke selectiviteit in de polymerisatiereactie. Intern moeten de gebruikte materialen specifiek zijn voor TPA, met fotoinitiatoren die een grote TPA-kruisdoorsnede hebben. Veelgebruikte materialen zijn onder andere organische en hybride fotopolymeren zoals SU-8, die bekend staan om hun goede eigenschappen voor twee-foton polymerisatie.

Femtoseconde laser-gebaseerde micro- en nanofabricage is inmiddels een onmisbare technologie voor de productie van hoogprecisie 3D-structuren. Dankzij de hoge resolutie die mogelijk is met TPL (Two-Photon Lithography), kunnen gedetailleerde structuren met een sub-micron resolutie worden vervaardigd. De prestaties van dit proces hangen af van verschillende factoren: de belichtingstijd, laserintensiteit en het type fotomateriaal. Een nauwkeurig gedefinieerd systeem bestaat uit meerdere componenten, zoals een ultrafast laser, optische systeem voor focussering, een systeem voor de beweging van de fotonenbundel, een schakelmechanisme voor de laserstraal en een softwareplatform voor het besturen van de gehele setup. Deze technologie maakt het mogelijk om complexe 3D-structuren te printen zonder dat er materiaal wordt verspild, wat een belangrijke vooruitgang betekent voor de additieve fabricage.

De precisie en efficiëntie van deze technologie zijn echter sterk afhankelijk van de specifieke instellingen van de laser en de gebruikte materialen. De mogelijkheid om snel en nauwkeurig verschillende patronen en structuren te maken, maakt femtoseconde lasergebaseerde micro/nanofabricage een cruciale techniek in de moderne nanotechnologie.

Het is van essentieel belang dat bij het gebruik van deze technologie de instellingen zorgvuldig worden geoptimaliseerd. De resolutie van de geprinte structuren kan bijvoorbeeld aanzienlijk variëren afhankelijk van de intensiteit van de laserstraal en de eigenschappen van het fotomateriaal. Hoe meer controle er is over deze factoren, hoe verfijnder en nauwkeuriger de uiteindelijke structuur kan zijn. Het is ook belangrijk te begrijpen dat de complexiteit van de systemen die worden gebruikt voor femtoseconde laser-gebaseerde fabricage het noodzakelijk maakt om de interactie van verschillende componenten te coördineren om een hoge productie-efficiëntie te waarborgen. Het combineren van high-tech lasers met geavanceerde software is essentieel voor het realiseren van de gewenste nauwkeurigheid en snelheid.

Hoe Femtoseconde Laser Nonlineaire Lithografie de Toekomst van 3D Nanoprinten Vormgeeft

De recentste ontwikkelingen in de wereld van 3D-printtechnologieën hebben geleid tot een aanzienlijk aantal doorbraken, met name door het gebruik van femtoseconde laser technologie in niet-lineaire lithografie. Deze technologie maakt gebruik van twee-foton absorptie en polymerisatie om uiterst gedetailleerde microstructuren te vervaardigen met een resolutie die de diffractiegrens overschrijdt. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor precisietechnologieën die essentieel zijn voor de architectuur, wetenschappelijke experimenten, en industriële toepassingen.

Een bijzonder interessante ontwikkeling in dit veld is het gebruik van femtoseconde lasers voor het creëren van fotonische structuren, zoals zogenaamde 'fotografische bloemen'. Deze structuren vertonen een dynamische reactie op veranderingen in temperatuur en luchtvochtigheid, wat wijst op het enorme potentieel van deze technologie voor de ontwikkeling van micro-actuatoren die zowel als lichtgeleiders kunnen functioneren. Dergelijke systemen, die responsief zijn op omgevingsveranderingen, kunnen worden ingezet in diverse toepassingen van sensoren tot aan geavanceerde fotonische apparaten.

Het fabriceren van deze complexe structuren vereist meer dan alleen de basistechnologie van laserstraling. De keuze van de fotopolymeer en de foto-initiator zijn van cruciaal belang. Tegenwoordig richten onderzoekers zich niet langer alleen op commerciële materialen, maar proberen zij nieuwe mengsels en verbindingen te ontwikkelen die nog beter presteren. Dit houdt in dat het proces van het ontwikkelen van ideale fotoresists een steeds belangrijker onderdeel wordt van de onderzoek en technologische vooruitgang. De ideale fotoresist moet een fotoinitiator en een polymeriseerbare monomeer bevatten, maar de formulering van een materiaal dat uitstekende prestaties levert, vereist constante innovatie en experimentatie.

De toepassing van deze technologie in 3D-nanoprinten wordt steeds breder. Een van de grootste voordelen van deze technologie is de ongelooflijke precisie waarmee complexe structuren kunnen worden vervaardigd. Femtoseconde laser-gebaseerde 3D-printing biedt een betere controle over de fijnstructuur van materialen dan traditionele methoden. In veel gevallen kan deze technologie worden gebruikt om systemen te ontwerpen die zowel optische als mechanische functies combineren, zoals fotonische kristallen die kunnen reageren op veranderingen in temperatuur en vochtigheid.

Desondanks is er nog werk aan de winkel. Hoewel de technologie veelbelovend is, zijn er enkele beperkingen die moeten worden overwonnen voordat deze op grote schaal kan worden geïmplementeerd. Een van de grootste uitdagingen is de relatief lage snelheid van de productie. Het langdurige proces van het aansteken en vastleggen van polymerisatie in elke laag maakt het minder geschikt voor massaproductie in industriële omgevingen. Dit kan een belangrijke hindernis zijn voor de brede acceptatie van deze technologie in de fabricage van consumentenproducten en industriële componenten.

Desondanks is de vooruitgang die wordt geboekt in het verbeteren van de snelheid en efficiëntie van het proces veelbelovend. Onderzoekers werken aan methoden om de productietijd te verkorten, wat kan helpen om de technologie toegankelijker en rendabeler te maken voor een breder scala aan toepassingen. De voordelen van de technologie op het gebied van precisie en veelzijdigheid zijn duidelijk, en het is slechts een kwestie van tijd voordat we deze technologie in diverse industrieën terug zullen zien.

Bovendien is het belangrijk te beseffen dat de toepassingen van deze technologie niet beperkt blijven tot de verbeelding van wetenschappers en ingenieurs. De mogelijkheden voor de integratie van 3D-nanoprinting in biomedische en gezondheidszorgtoepassingen, zoals weefselengineering en gerichte medicijnafgifte, zijn bijzonder veelbelovend. Het gebruik van fotopolymeren in de fabricatie van 3D-structuren kan worden toegepast op de productie van bio-afbreekbare scaffolds voor celculturen, waardoor medische behandelingen en biotechnologische ontwikkelingen enorm profiteren van deze vooruitgangen.

Hoewel de technologie nog steeds in ontwikkeling is, maakt de combinatie van 3D-printen met femtoseconde laserstraling het mogelijk om nieuwe, uiterst geavanceerde materialen en apparaten te creëren die tot nu toe ondenkbaar waren. Het is duidelijk dat deze technologie de potentie heeft om een revolutie teweeg te brengen in verschillende wetenschappelijke disciplines, van nanofabricage tot biologische en fotonische toepassingen.

Wat maakt 3D-printen via fotopolymerisatie zo belangrijk voor de toekomst van de technologie?

3D-printen, ook wel additive manufacturing genoemd, heeft de wereld van de fabricage en materiaalontwikkeling ingrijpend veranderd. Door het mogelijk te maken om op aanvraag, laag voor laag, op maat gemaakte materialen te creëren, heeft deze technologie toepassingen die variëren van microfluïdica tot biomedische apparaten, zachte robotica, chirurgie, weefselengineering, tandheelkunde en zelfs geneesmiddelentoevoer. Onder de verschillende beschikbare technieken heeft 3D-printen via fotopolymerisatie, zoals stereolithografie (SLA), digitale lichtverwerking (DLP) en continue vloeistofinterfaceproductie (CLIP), zich bewezen als een van de meest veelbelovende methoden. Dit komt door de innovaties die polymerenchemie mogelijk maakt.

De fotopolymerisatieprocessen die doorgaans in 3D-printen worden gebruikt, zijn gebaseerd op verschillende chemische reacties: vrij radicaal, kationisch, ringopening en thiol-ene polymerisaties. Van deze reacties is de vrije radicaalpolymerisatie het meest favoriet vanwege de breedte van de monomeren en functionaliteiten die ermee geassocieerd zijn. Deze mechanismen hebben bewezen effectief te zijn voor het printen van een breed scala aan materialen, van harde structuren tot flexibele en elastische materialen, die essentieel zijn voor vele innovatieve toepassingen.

Een van de kernvoordelen van 3D-printen via fotopolymerisatie is de precisie en de snelheid waarmee microstructuren kunnen worden vervaardigd. De mogelijkheid om materialen met een ongelooflijke resolutie te creëren, maakt deze technologie ideaal voor gebruik in de medische en biotechnologische sector. In de weefselengineering bijvoorbeeld, kunnen gedetailleerde scaffolds worden geprint die het herstel van beschadigd weefsel bevorderen door ze te voorzien van een structuur die de groei van cellen ondersteunt.

Fotopolymerisatie stelt ook in staat om complexe, op maat gemaakte vormen te maken die moeilijk of zelfs onmogelijk zouden zijn om met traditionele fabricagetechnieken te produceren. Dit maakt het mogelijk om zeer gedetailleerde microstructuren en zelfs nanostructuren te printen, wat van groot belang is voor de ontwikkeling van nieuwe materialen en apparaten, van nanodevices tot op moleculair niveau werkende systemen.

Naast de toepassing in biomedische en industriële sectoren heeft fotopolymerisatie ook de weg vrijgemaakt voor de ontwikkeling van nieuwe soorten elektronica en optische systemen. De controle over de materiaaleigenschappen die via deze techniek kan worden verkregen, is essentieel voor de ontwikkeling van de volgende generatie van opto-elektronische apparaten. Fotopolymerisatie maakt het mogelijk om materialen te creëren die specifieke licht- en elektrische eigenschappen vertonen, wat van cruciaal belang is voor toepassingen in de fotonica en in de ontwikkeling van lasers, sensoren en optische apparaten.

De innovaties in 3D-printtechnologie gaan echter verder dan alleen de chemische processen. De integratie van nieuwe technieken zoals twee-foton polymerisatie heeft de mogelijkheden voor het maken van driedimensionale structuren verder uitgebreid. Twee-foton polymerisatie maakt gebruik van ultrakorte lichtpulsen die met extreme precisie kunnen worden gericht om materialen op de gewenste plekken te polymeriseren. Dit opent de deur naar het vervaardigen van geavanceerde materialen en structuren die nog dichter bij de natuur kunnen worden gemodelleerd, zoals de bloedscheidingbarrière in het menselijk lichaam, die kan worden nagebouwd voor medische toepassingen.

Deze technologie heeft ook geleid tot de ontwikkeling van zelfsturende systemen, zoals in het geval van soft robotics, waar 3D-geprinte elastomeren en actoren gebruikt worden voor het creëren van robots die zich aanpassen aan hun omgeving. Dit heeft niet alleen toepassingen in de medische wereld, maar ook in de productie, waar flexibele robots de interactie met mensen en materialen kunnen vergemakkelijken.

Bij de realisatie van zulke vooruitstrevende technologieën zijn er echter ook uitdagingen. Er zijn limieten aan de materialen die momenteel beschikbaar zijn voor 3D-printen, zowel wat betreft hun chemische stabiliteit als mechanische eigenschappen. Het ontwikkelen van nieuwe, meer robuuste fotopolymeren, die niet alleen efficiënt kunnen worden geprint, maar ook lang genoeg hun stabiliteit behouden in complexe omgevingen, is een cruciale stap. Daarnaast is er een voortdurende vraag naar verbeterde snelheid en precisie in het printproces, vooral wanneer het gaat om massaproductie.

Er zijn verschillende benaderingen om deze uitdagingen aan te gaan, zoals het combineren van 3D-printen met andere technieken zoals nanolithografie, die de nauwkeurigheid van de productie aanzienlijk verbetert. Het gebruik van zogenaamde meta-materialen in combinatie met fotopolymerisatie kan leiden tot het creëren van structuren die optimale eigenschappen vertonen, zoals de gewenste stijfheid of elasticiteit. Dit maakt het mogelijk om materialen te ontwikkelen die het beste van zowel harde als zachte materialen combineren, ideaal voor gebruik in zowel robuuste als delicate toepassingen.

De toekomstige toepassingen van 3D-printen via fotopolymerisatie lijken eindeloos, van gepersonaliseerde medicijnen tot verbeterde medische behandelingen en geavanceerde nanotechnologieën. De voortdurende vooruitgang in de technologie zal ongetwijfeld nieuwe mogelijkheden creëren die we ons nu nog niet kunnen voorstellen, maar die essentieel zullen zijn voor de volgende fase van technologische ontwikkeling.

Jak začít s úpravami obrázků v Adobe Photoshop: Průvodce pro začátečníky
Kdo stál za krádeží ve francouzském klenotnictví?
Jak správně pracovat s materiály a technikami při výrobě Amigurumi