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Pesquisadores desenvolveram uma nova técnica de polimerização de dois fótons que usa dois lasers para imprimir em 3D estruturas complexas de alta resolução. O avanço pode tornar esse processo de impressão 3D menos dispendioso, ajudando-o a encontrar uso mais amplo em uma variedade de aplicações.
A polimerização de dois fótons é uma técnica avançada de manufatura aditiva que tradicionalmente usa lasers de femtossegundos para polimerizar materiais de forma precisa e 3D. Embora esse processo funcione bem para fazer microestruturas de alta resolução, ele não é amplamente usado na manufatura porque os lasers de femtossegundos são caros e aumentam o custo de impressão de peças.
“Combinamos um laser de custo relativamente baixo que emite luz visível com um laser de femtossegundo que emite pulsos infravermelhos para reduzir a necessidade de energia do laser de femtossegundo”, disse o líder da equipe de pesquisa Xianfan Xu da Purdue University. “Dessa forma, com uma dada potência do laser de femtossegundo, a produtividade da impressão pode ser aumentada, levando a um menor custo para impressão de peças individuais.”
Na revista Optica Publishing Group Óptica Expressaos pesquisadores mostram que a abordagem de dois lasers reduz a potência de impressão 3D do laser de femtossegundo necessária em até 50% em comparação ao uso de apenas um laser de femtossegundo.
“A impressão 3D com alta resolução tem muitas aplicações, incluindo dispositivos eletrônicos 3D, microrrobôs para o campo biomédico e estruturas 3D ou andaimes para engenharia de tecidos”, disse Xu. “Nossa nova abordagem de impressão 3D pode ser prontamente implementada em muitos sistemas de impressão 3D a laser de femtossegundo existentes.”
Encontrando o equilíbrio certo do laser
O novo trabalho faz parte do esforço da equipe de pesquisa para melhorar continuamente a velocidade de impressão e reduzir o custo de impressão para polimerização de dois fótons, que usa o fenômeno de absorção de dois fótons para curar com precisão, ou solidificar, um material fotossensível.
“Em um processo de impressão de polimerização de dois fótons convencional, o laser de femtossegundo é usado primeiro para iniciar um processo fotoquímico que reduz as espécies de inibição no material antes do início da impressão”, disse Xu. “Usamos um laser de baixo custo para esse propósito.”
A nova abordagem combina absorção de fóton único de um laser de nanossegundos de 532 nm com absorção de dois fótons de um laser de femtossegundos de 800 nm. Para que isso funcionasse, os pesquisadores tiveram que encontrar o equilíbrio certo entre a impressão e a inibição causada pelos dois lasers. Eles fizeram isso criando um novo modelo matemático para ajudá-los a entender os processos fotoquímicos envolvidos e a calcular o efeito combinado dos processos de excitação de dois fótons e de fóton único. Eles também usaram o modelo para identificar os processos dominantes que controlavam o quanto a potência do laser de femtossegundo poderia ser reduzida e ainda obter resultados de impressão desejáveis.
Imprimindo estruturas detalhadas
Após refinar a nova abordagem, eles a usaram para imprimir várias estruturas 2D e 3D usando potência reduzida do laser de femtossegundo. Isso incluía pilhas de madeira detalhadas medindo apenas 25 × 25 × 10 μm, bem como um buckyball em escala micrométrica, estrutura quiral e nó de trevo. Os resultados experimentais mostraram que o novo método reduziu a potência necessária do laser de femtossegundo em até 80 por cento para estruturas 2D e até cerca de 50 por cento para estruturas 3D.
“Essa nova abordagem de impressão pode impactar as tecnologias de fabricação, influenciando o desenvolvimento de dispositivos nos setores de eletrônicos de consumo e saúde, tanto agora quanto no futuro”, disse Xu. Os pesquisadores agora estão trabalhando para melhorar ainda mais a velocidade de impressão e reduzir o custo da impressão 3D.
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