Polimerek 3 dimenziós nyomtatása

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék

Polimerek 3 dimenziós nyomtatása

Laborleirat

2015

1. A gyakorlat célja A 3 dimenziós (3D) nyomtatás és a digitális optikai mikroszkópia megismerése. Próbatestek 3D nyomtatása „digital light processing” (DLP) technológiával, a kialakított testek vizsgálata digitális optikai mikroszkóppal (DOM).

2. Elméleti bevezető 2.1.

3 dimenziós nyomtatás

A 3 dimenziós [3D] nyomtatás egy, a napjainkban egyre jobban elterjedő additív gyártási technológia, amelynek legfőbb jelentősége, hogy elősegíti a termékfejlesztési idő lerövidítését. Alapvetően eltér az olyan hagyományos megmunkálási eljárásoktól, mint az esztergálás és a marás, ahol a terméket egy tömbből alakítják ki a megfelelő részek eltávolításával. Az iparban számos területen nagy az igény a termékek tervezési idejének és a piacra kerülési folyamatok lerövidítésére. Ezeket a törekvéseket igyekeznek egyre jobban kiszolgálni a rohamosan fejlődő 3D nyomtatási eljárások. A 3D nyomtató egy olyan készülék, amely egy digitális modell alapján, a megfelelő alapanyagból rétegről rétegre építi fel a kiválasztott háromdimenziós tárgyat. Az első 3D nyomtatási eljárások az 1980-as évek vége felé váltak elérhetővé, mint gyors prototípus gyártására alkalmas technológiák (Rapid Prototyping, RP). A cél egy gyors és költséghatékony módszer megalkotása volt termékfejlesztéshez, prototípusok létrehozásához. Az első szabadalom Charles Hull nevéhez tartozik, aki 1986-ban publikálta sztereolitográfiás készülékét (stereolithography apparatus, SLA). 1989-ben a Texasi egyetem egyik munkatársa, Carl Deckard szabadalmaztatta a szelektív lézer szinterelést (Selective Laser Sintering, SLS). Még ugyanebben az évben Scott Crump szabadalmaztatta a huzalolvasztásos modellezést vagy más néven szálextrúziós nyomtatást (Fused Deposition Modelling, FDM). Az 1990-es években és a kétezres évek elején rengeteg új eljárás jelent meg és a meglévők folyamatos fejlődésen mentek keresztül. Maga a 3D nyomtatás, mint kifejezés a Massachusetts Institute of Technology [MIT] két doktoranduszától, Jim Bredt-től és Tim Anderson-tól származik, akiknek 1995-ben sikerült úgy átalakítani egy tintasugaras nyomtatót, hogy segítségével képesek voltak műanyag rétegek egymásra olvasztásával térbeli objektum előállítására. A 3D nyomtatás egyike a 21. század forradalmian új technológiáinak, 2008 és 2014 között az eladott nyomtatók száma exponenciálisan növekedik, míg áruk jelentősen csökkent [1].

2.1.2. 3D nyomtatási technológiák A 3D nyomtatás viszonylag rövid sikertörténete alatt számos, eltérő koncepciójú eljárás fejlődött ki. A különböző működési elveket alkalmazó nyomtatókat főként az alapján lehet csoportosítani, hogy milyen módszerrel történik a 3 dimenziós testet felépítő rétegek 2

kialakítása. A különböző technológiák további eltérést mutathatnak a nyomtatáshoz alkalmazott alapanyagok és a létrehozott objektumok felbontásában is [2].

Extrúziós eljárások Az egyik legjobban elterjedt módszer műanyagok 3 dimenziós nyomtatására a szálextrúziós vagy más néven huzalolvasztásos (Fused Deposition Modeling, FDM) technológia. A készülék egy, a z-irányba mozgatható építési területből és egy x-y irányba mozgatható ömlesztő fejből áll, mely pontonként hozza létre az adott réteget (1. ábra). Működése során az extrúziós fejbe termoplasztikus polimerszálat adagolnak, amely ott megömlik és az építési területre érve megszilárdul. Az FDM eljárásnak létezik egy kifejezetten implantátumgyártásra használt változata, a 3D fiber deposition [3DF] technológia, melynél a műanyag betáplálás granulátum formájában valósul meg. Ez a technológia kedvelt, mert a nyomtatott szálak távolságának és irányának változtatásával szabályozható pórusalakú és méretű, valamint átjárható pórusrendszerrel rendelkező szerkezetek is megvalósíthatóak. Szobahőmérsékleten történő nyomtatáshoz használt gyakori alapanyag a politejsav [PLA], fűtött építési terület vagy kamra segítségével akrilnitrilbutadién-sztirol [ABS], és polikarbonát [PC] is feldolgozható. Több extrúziós fejjel dolgozó berendezésekkel megoldható az egyszerre többféle polimerrel történő nyomtatás. Bizonyos esetekben a nyomtatni kívánt test komplex geometriája miatt szükséges támaszanyag alkalmazása. Ilyen támaszanyag lehet például a poli(vinil-alkohol) [PVA], amely a nyomtatatás befejezését követően egyszerűen leoldható. A kialakítható test mérete függ a használt berendezés típusától, az építési terület szokásos nagysága 200 mm x 150 mm x 90 mm. Habár a pozicionálás pontossága elérheti a ±25 μm-t minden irányban [3] a termék felbontása az extrudált szál átmérőjétől függ, ahol 100 μm elérése már komoly kihívás. Az egyszerűbb, ma már interneten is megrendelhető készülékek ~400 μm -es felbontásra képesek.

1. ábra: Az extrúziós nyomtató vázlatos felépítése

3

2. ábra: A laminációs technológia vázlatos felépítése

Laminációs technológiák A laminációs módszernél az alapanyag feltekercselt formában van jelen, az ebből lehúzott rétegből vágja ki a nyomtató az egyes rétegeket lézer vagy vágókés segítségével, majd azokat egymásra építi. Ilyen eljárás a „Laminated Object Manufactruing” (LOM), amely a működési folyamat során a kivágott papírrétegeket ragasztja össze. Az eljáráshoz gyakran alkalmaznak öntapadós lapokat. Egy másik elterjedt laminációs eljárásban fém fóliát munkálnak meg (Ultrasonic Additive Manufacturing, UAM), itt a fóliarétegeket nagy frekvenciájú ultrahangos rezgetéssel forrasztják egymáshoz. Az összerögzített fólialapok közül mindig a legfelső réteget alakítják a kívánt formára (2. ábra). A technológia hátránya, hogy nem lehet vele jó minőségű és precíz testeket kialakítani. Előnye viszont, hogy az alapanyagköltsége igen kicsi [4].

Por-alapú technológiák A szelektív lézeres szinterelés (Selective Laser Sintering, SLS) során lézerrel megolvasztják a por állagú alapanyagot, ily módon létrehozva a kívánt alakzatú réteget (3. ábra). Az egyes rétegek kialakítását követően az építési terület lejjebb süllyed, majd a felületére egy henger segítségével újabb rétegnek megfelelő port visznek fel, amiből ezt követően a lézer segítségével újabb réteget képeznek. Az építési tankban a testet körülvevő por alapanyag támaszanyagként funkcionál, a nyomtatás befejezését követően lefújható a mintáról. Az SLS módszer során bármilyen port felhasználhatunk, melynek felületi rétege melegítés hatására megömlik, így alkalmaznak pl.: poliamidot, polikarbonátot, precíziós öntészeti viaszt, kerámia- és fémporokat is. A technológia segítségével állítottak már elő kompozitokat is, pl. poli(éter-éter-keton) és hidroxiapatit keverékekből. Az elérhető felbontás közelítőleg 100 μm-es [3].

3. ábra: SLS elven működő nyomtató vázlatos felépítése

4. ábra: Lézeres porolvasztás elvén működő 3D nyomtató

Az előző technológiához nagyon hasonlít az úgynevezett 3DP módszer, ahol a por adagolása és a test mozgatása hasonlóan történik, azonban az egyes rétegeket az SLS eljárástól eltérően nem lézersugár, hanem a nyomtatófej által adagolt folyékony ragasztóanyag tapasztja össze. A nyomtatás végén a felesleges alapanyag lemosható. Ez a 4

technológia szintén számos por állagú alapanyag (fém, kerámia, polimer) feldolgozását teszi lehetővé [3]. Fémek és kerámiák 3D nyomtatása alapvetően bonyolultabb, mint a műanyagoké. Ipari környezetet és sok esetben komplikált eljárást, többlépcsős utómunkálatokat igényelnek. Olvasztást alkalmazó technológiák, mint a szelektív lézeres olvasztás (Selective Laser Melting, SLM) és az elektronsugaras olvasztás (Electron Beam Melting, EBM) esetén teljesen megolvad az alapanyag, így tömörebb lesz a kapott termék, mint a szinterelési eljárások esetében. Előnyük az SLS módszerrel szemben, hogy vákuumban oxigénre érzékeny alapanyagok is alkalmazhatóak a nyomtatáshoz. Az SLM módszer során nagy energiájú, fókuszált lézersugár olvasztja meg vákuum alatt a por állagú fémet vagy fémötvözetet, míg az EBM módszernél fókuszált elektronsugarat alkalmaznak. Az EBM módszert leginkább orvosi fémeszközök kialakítására használják, illetve olyan alkatrészek készítésére, amelyeket extrém körülmények között használnak (pl. űrrakéták alkatrészei). Az SLM-et főleg a fogászatban és ékszerészetben alkalmazzák. Leggyakoribb alapanyagai a különféle acélok és az alumínium [5]. Külön tárgyalható por-alapú technológia a lézeres porolvasztás (Laser Powder Forming, LPF). Az alapanyag itt is fémpor, amelyet ellentétben az SLS technológiával, nem hengeres megoldással, hanem egy adagolófejen keresztül juttatnak a lézersugárba (4. ábra). A lézer megolvasztja a fémport, így kialakítva rétegenként a nyomtatni kívánt testet, amelyet egy mozgatható asztalon építenek fel. Ezzel a technológiával nagyméretű fém alkatrészeket és eszközöket lehet előállítani viszonylag gyorsan [5].

Fotopolimerizáció elvén működő technológiák A szetereolitográfia [SLA] az egyik legelső, fotopolimerizáció elvén működő additív gyártási technológia, amelyet alkalmaztak. A nyomtatás során a fotoiniciátort és a polimert tartalmazó alapanyaggal feltöltött építési tartály felületén fókuszált lézersugár segítségével történik az alapanyag térhálósítása a kívánt mintázatban. A lézersugár pozicionálását mozgó tükörrendszer segítségével oldják meg (5. ábra). Az első réteg közvetlenül a folyadékba merített építési felületen készül el, majd ez a munkafelület a beállított rétegvastagságnak megfelelő távolságot süllyed. Ekkor az alapanyag ellepi az addig elkészült modellt, helyet adva a következő réteg felépítéshez. Az alkalmazott alapanyag azonban erősen viszkózus, így az egyenletes felület előállítása érdekében egy speciális szintező halad végig a felületen, eltávolítva a felületi egyenetlenségeket. Ezt követően a gép megvilágítja és polimerizálja a következő réteget. A rétegek vastagsága a z-irányú léptetés pontosságától és a lézer teljesítményétől függ. A nyomtatás után a munkadarab tisztítást igényel a meg nem szilárdult polimertől, végül a kész modell UV fény segítségével kikeményíthető [2, 6]. Az SLA előnye az alapanyag széleskörű megválaszthatósága, mivel viszonylag sokféle polimerből készíthetőek vele térbeli modellek. A technológia nagyon jó felületi minőséget produkál, felbontása függ az egyes rétegek vastagságától és a lézerpont méretétől, ami általában 80-250 μm, de 30 µm is elérhető. Az SLA egy továbbfejlesztett változata a µ-SLA, amely felbontása akár 1 µm-es is lehet [2, 6]. 5

Másik elterjedten alkalmazott fotopolimerizációs elven működő technológia a Polymer Jetting. Alkalmazása során egy, a tintasugaras nyomtatókhoz hasonló nyomtatófejjel viszik fel a megfelelő mintázatú rétegben az alapanyagot az építési területre. Az alapanyag réteg UV lámpa segítségével megvilágítva térhálósodik. Egy másik tartályból egy második nyomtatófej segítségével támaszanyag is felvihető, amely később eltávolítható a kész testből. A Polymer Jetting technológiával működő berendezések (6. ábra) rövid gyártási idővel dolgoznak és a SLA technológiához hasonlóan jó minőségű testek (~16 μm rétegvastagság, 100 μm-es x, yirányú pontosság) kinyomtatására alkalmasak [7].

5. ábra: SLA elven működő 3D nyomtató elvi felépítése

6. ábra: Polymer Jetting technológiával működő 3D nyomtató elvi felépítése

A sztereolitográfia egyik alcsoportjának is tekinthető a Digital Light Processing [DLP] 3D nyomtatás. Az alapanyag ebben az esetben is fényre térhálósodó folyékony polimer vagy polimeroldat (jellemzően poliakrilátok), de a térhálósításért felelős fényforrást, valamint a rétegképzést tekintve más rendszerű a DLP nyomtató felépítése. Itt ugyanis egy projektor az adott réteg 2 dimenziós képét vetít ki az építési terület felületére, így a polimerizáció nem pontszerűen, hanem egy levilágítási lépés alatt egy teljes rétegben történik. A fény hatására megszilárdult első réteg képes megtapadni az építési terület felületén, a további rétegek az építési tank z-irányú mozgatásával épülnek fel rétegről rétegre kialakítva a 3 dimenziós modellt (7. ábra). Ha a testben bármilyen üreg, konkáv rész vagy túlnyúlás van, akkor itt függőleges támaszokkal kell biztosítani a kapcsolatot az építési területtel. Ezek a támaszok ugyanabból az alapanyagból készülnek, mint maga a test, így megfelelően vékonyra kell őket tervezni, hogy később eltávolíthatóak legyenek [6].

6

7. ábra: A DLP 3D nyomtató és működési elve

2.1.3. DLP rendszerű 3D nyomtatóhoz felhasználható alapanyagok Az ipar számos területén elterjedt szintézismódszer az akrilát alapú polimer térhálók előállítása fotoiniciált polimerizációval. A fotopolimerizáció előnye a hagyományos, termikus polimerizációval szemben, hogy kisebb aktiválási energiát igényel (fotoiniciált reakció: <40 kJ/mol, termikus reakció: 20-200 kJ/mol). A fotoiniciált reakció gyorsan végbemegy, ami a 3D nyomtatás során alapvető igény. A fény alkalmazásának további előnye, hogy térben és időben jól irányítható. A térhálós polimereket alapvetően két különböző módon lehet előállítani. Direkt szintézis során monomerekből indulunk ki, a polimerizációs láncreakció egyszerre történik a térhálósodással. Utólagos térhálósítás során a polimer láncok között keresztkötéseket kell kialakítani (vagy külön térhálósító molekulával vagy a polimer láncokon jelen lévő funkciós csoportok felhasználásával). A 3D nyomtatásban jellemzően alkalmazott fotopolimerizációs reakciók gyökös láncreakciók. A gyökös láncreakció mechanizmusa a 8. ábrán látható. Az első lépésben a fotoiniciátor egy adott hullámhosszon elnyeli a fényt, így gerjesztett állapotba kerül és instabilizálódik. Igen reakcióképes szabad gyök jön létre, mely reagál egy monomer molekulával. A szabadgyökös polimerizáció tulajdonképpen a kiindulási, kettős kötést tartalmazó monomer sorozatos önaddíciója. Az alkén monomerből iniciálás során kialakított instabil gyök a kettős kötések felszakadása révén sorozatosan reagál további monomer molekulákkal, miközben a növekvő molekula reaktív marad mindaddig, amíg valamilyen lánczáró lépésben nem stabilizálódik (8. ábra) [8, 9].

7

8. ábra: Iniciált szabadgyökös fotopolimerizáció (S: iniciátor, M: monomer, M·: monomer gyök, R: lánczáró molekula: pl.: polimer gyök, láncátadó szer, stb.)

A DLP nyomtatáshoz alapanyagként speciális, többkomponensű keverékeket alkalmaznak, fő alkotóelemei: egy- vagy többfunkciós akril monomer(ek) és/vagy oligomer(ek), fotoiniciátor, pigment és vagy fotoabszorbens festék. Fontos szempont, hogy az alapanyag gyorsan (<10 másodperc) térhálósodjon, mivel így kis exponálási idővel dolgozhatunk, ami gyorsabb nyomtatási folyamatot eredményez. A végső alkalmazási terület is erősen befolyásolhatja az alapanyagok kiválasztását. A felhasználás igényelhet nagy merevségű, de egészen lágy, könnyen deformálható termékeket is. Igény lehet a precíziós öntéshez alkalmas, hamumentesen kiégethető késztermékre is. A legelterjedtebben alkalmazott monomerek és makromonomerek a mono-, di-, vagy oligoakrilátok, metakrilátok. Jellemzően ezek keverékeit alkalmazzák. A teljesség igénye nélkül ilyen monomer lehet például a metil-metakrilát, az etil-akrilát, a ciklohexil-metakrilát, a 2-hidroxietil-metakrilát, az epoxi-akrilátok, a poliészter-akrilátok, a poli(etilén-glikol)-diakrilátok, a poli(propilén-glikol)diakrilátok, az alifás uretán-metakrilátok. Az említett komponensek esetében a polimerizáció és a térhálósítás egy lépésben megy végbe a DLP nyomatatás során. A legnépszerűbb kutatási irány a mesterséges szövetek létrehozása, amihez mindenképpen biokompatibilis alapanyagokra van szükség. Gyakran alkalmazott biokompatibilis makromonomer a poli(etilén-glikol)-diakrilát [PEGDA] (9. ábra), mely orvosbiológiai felhasználásra is alkalmas lehet [10, 11].

9. ábra: A PEGDA szerkezete és fotoinicált térhálósítása (R: fotoiniciátor)

8

A DLP technológiánál alkalmazott fényforrás (HD illetve Full HD projektor) igen széles spektrumon világít, a közeli UV-től (300 nm) a közeli infravörös (900 nm) tartományig. Az alkalmazott fotoinicátornak ezen a tartományon kell fotont elnyelnie úgy, hogy végbemenjen a szabadgyök képződése, ami a DLP alapanyagokban alkalmazott iniciátoroknál általában α-hasításos mechanizmussal történik meg. A DLP technológiában tipikusan a foszfin-oxid alapú fotoiniciátorokat alkalmazzák. Ilyen fotoiniciátor a bisz(2,4,6-trimetilbenzoil)fenilfoszfin-oxid, kereskedelmi nevén Irgacure 819 (λmax = 370 nm). Az Irgacure családba tartozó fotoiniciátorok közül elterjedten alkalmazzák az Irgacure 2959 iniciátort is (λmax = 270 nm) is (10. ábra). Az alapanyag térhálósításának, így a rétegképzésnek a sebességét az iniciátor mennyiségével is lehet szabályozni, így a nyomtatás során alkalmazott pár másodperces (1-10 s) expozíciós idő mellett az adott réteg biztonsággal megszilárdul [10, 12, 13]. A DLP nyomtatásban az alkalmazott iniciátor mennyiség tipikusan nagy, százalékos nagyságrendet is elérhet.

10. ábra: (a) Az Irgacure 819 és a (b) Irgacure 2959 szerkezete és a fotoiniciált szabadgyök képződése

A pigmenteket fotoabszorbensként alkalmazzák, mely segíti a megfelelő geometria kialakítását. Használatukkal szabályozni lehet, hogy milyen mélyen hatoljon be az alapanyagba a besugárzó fény. A pigmentkoncentráció növelésével pontosabb, és vékonyabb rétegek kialakítására van lehetőség. A pigment lehet szervetlen, mint például titánium-oxid, cink-oxid, vas-oxid, bárium-szulfát vagy kálcium-szulfát, de alkalmaznak szerves pigmenteket is, ilyenek a különböző azoszínezékek (pl. Sudan vörös) és a kromofor csoportokat tartalmazó azo- és antrakinon pigmentek. Mennyiségük általában a teljes tömeg 0,001-5 m/m%-a [10, 13].

2.1.4. 3 dimenziós modellkészítés A 3D nyomtató működése során a tárgyakat, modelleket az alapanyag rétegenkénti hozzáadásával építi fel. Az egyes rétegek a térbeli modell keresztmetszetei, melyek együttesen alkotják a megkapni kívánt objektumot (11. ábra).

9

11. ábra: A 3D modell rétegenkénti felépítése

Az additív gyártást digitális modellkészítés előzi meg. Szükség van a nyomtatni kívánt test virtuális mására, amelyet kétféle jellemző módon kaphatunk meg:  

Tervezésre szolgáló programok vagy animációs szoftverek használatával: Computer Aided Design (CAD). Elterjedt CAD szoftverek: CATIA, Solid Works, ProEngineer, SolidEdge, Unigraphics, AutoCAD. Meglévő modellek letapogatása 3D szkenner segítségével (reverse engineering). A geometria lemásolása számítógépes axiális tomográfia alkalmazásával (Computerized Axial Tomography, CAT).

A jelenleg forgalomban lévő nyomtatókhoz tartozó szoftverek STL (Standard Triangulation Language, standard háromszögelési nyelv) állományokat képesek beolvasni. A 3D modell STL formátumban történő tárolása nem más, mint a test felületeinek apró közelítő háromszögekre való felosztása. A háromszögek csomópontját x, y, z-koordináták halmaza írja le (12. ábra). Az STL formátumban lévő 3D modellt adott 3D nyomtatóhoz tartozó tervező program segítségével lehet a nyomtató által kezelhető formátumba hozni. A nyomtató szoftvere automatikusan elkészíti a modell vízszintes irányú, virtuális rétegeit, kiszámolja az anyag- és időszükségletet. A modell átméretezhető, mozgatható, forgatható a virtuális építési területen, ahova akár egyszerre több különböző modell is elhelyezhető és egyidejűleg kinyomtatható (13. ábra). Néhány additív gyártási technológia kétféle anyagot használ fel az alkatrészek előállításához. Az első anyag képezi az alkatrészt, a másik a nyomtatás alatt egyes részek alátámasztására szolgál. A támasztó anyagot az eljárás befejezése után leolvasztják vagy leoldják. Mindez néhány percet vesz csupán igénybe és nem igényel mérnöki közreműködést [14].

10

13. ábra: Próbatestek támaszokkal a virtuális munkatérben

12. ábra: 3D test háromszöghálóval közelített felülete

A nyomtatás során a készülék beolvassa a modell adatait és sorban egymásra illeszkedő rétegeket képez folyadékból, porból vagy sík lemezekből, ilyenformán fokozatosan építi fel a modellt a metszetekből. Ezek a rétegek, melyek alakra és vastagságra megegyeznek a virtuális modell metszeteivel, egymáshoz tapadnak. A 3D nyomtatók legnagyobb előnye, hogy majdnem minden formát vagy geometriai testet elő tudnak állítani. A nyomtatók x és y irányú felbontását és a rétegek vastagságát mikrométerben (μm) adják meg. A szokásos rétegvastagság körülbelül 100 μm, de bizonyos nyomtatók akár 16 μm vékony rétegeket is képezhetnek. A mai technológiákkal egy modell kinyomtatása néhány perctől néhány óráig tart az alkalmazott módszer, valamint a test méretétől és bonyolultságától függően. A hagyományos gyártási eljárások (pl. a fröccsöntés) alkatrészek tömeggyártása esetén általában olcsóbbak, de kis darabszám esetén az additív gyártás alkalmazása gyorsabb és sokszor kifizetődőbb [14].

A DLP (Digital Light Processing) nyomtatás A gyakorlat során a DO3D Kft. által készített DLP nyomtatót fogjuk használni. Minden nyomtatás előtt lehetőség van megadni az alkalmazni kívánt paramétereket, amit a készülék elején található érintőképernyő segítségével tudunk végrehajtani. A szabályozható paraméterek:    

Az építési fej adott magasságra emelhető és süllyeszthető, a mozgatást végző z-irányú motor mozgatási sebessége szabályozható. Megadható az építési fej emelkedése két rétegalkotási ciklus között. Megadható a nyomtatási folyamat során jelentkező tálcabillentés. Szabályozható a kezdő- és a további rétegeket kialakító fényforrás expozíciós ideje, így az alkalmazott alapanyaghoz, valamint a kialakítani kívánt geometriához szükséges levilágítási idő optimálható.

A nyomtatás során a készülék kijelzi, hogy a modellt pontosan hány rétegből fogja felépíteni, megadja az aktuális rétegalkotási ciklus számát és a hátralévő időt. Bármely nem kívánatos mozgatási folyamat a nyomtatás közben leállítható. A nyomtatás megszakítható és 11

az építési fej mozgatható, ezt követően a nyomtatás újraindítható. Ebben az esetben a nyomtatás a legutoljára kialakított rétegtől kezdve fog folytatódni. A DLP technológiával nagyon pontosan, kiváló felületi minőséget biztosítva lehet nyomtatni, köszönhetően a 40-100 μm-es felbontásnak. A nyomtatási terület nagysága függ az alkalmazott projektor felbontásától és a nyomtatás során elérni kívánt felbontásától. Például adott projektor esetén 75 μm x-y irányú felbontás esetén 76,8 mm x 57,6 mm az elérhető nyomtatási terület, míg 50 μm-es x-y irányú felbontást igényelve 51,2 mm x 38,4 mm-re csökken a nyomtatási terület. Mivel DLP technológiánál egy levilágítási fázisban megtörténik egy teljes réteg térhálósítása, a pontszerűen térhálósító 3D nyomtatási technológiákhoz képest sokkal gyorsabb rétegkészítési időt biztosít. Az egyes rétegek elkészítési ideje nem függ a nyomtatott modellek geometriai komplexitásától sem. Az általunk alkalmazott nyomtatónál az elérni kívánt x-y irányú felbontás ~47 μm. Mivel a nyomtatóban egy Full HD projektort építettek (felbontása 1920x1080 pixel) így az építési tér alapterülete 90,2 mm x 50,8 mm.

12

2.2. Digitális optikai mikroszkópia 2.2.1. A fénymikroszkóp története Amikor mikroszkópról hallunk, akkor általában sok lencsés, tekintélyes eszközre gondolunk. Pedig mikroszkópnak tekinthetünk egyetlen domború lencsét is, hiszen rajta keresztül a kis tárgyakat nagyítva láthatjuk (mikro = kicsiny, szkopein = nézni). A XVI. század végéről vannak irodalmi bizonyítékaink arra nézve, hogy egyetlen lencsét (lupe) kis rovarok képének megnagyítására használtak (1592 Hufnagel, 1625 Stellutus). Az egy lencsével történő nagyítást Anton von Leeuwenhoek már az 1600-as években olyan magas szintre emelte saját készítésű lencséivel, hogy egysejtű élőlények megfigyelésével új tudományágakat alapító felfedezéseket tett. Ezt követően a norvég Janssen testvérek és az olasz Galilleo munkásságának köszönhetően létrejöttek az olyan mikroszkóp összeállítások, amelyek két lencséből, a vizsgált tárgyhoz közeli tárgylencséből (objektív) és a vizsgáló szeméhez közelebb eső szemlencséből (okulár) álltak (például Robert Hooke mikroszkópja). Az objektív előállította a vizsgált tárgy valódi, fordított állású képét a mikroszkóp tubus belsejében és a szemlencse elé vetítette azt. Ez utóbbi pedig tovább nagyította a képet és létrehozta a tárgy látszólagos képét az emberi szemben (a teljes nagyítás az objektív lencse és az okulár lencse nagyításának a szorzata).

15. ábra: Az összetett mikroszkóp működési elve 14. ábra: Robert Hooke mikroszkópja

Bár gyakorlatilag a kétlépcsős nagyítási mód az alapja a ma használatos, modern mikroszkópoknak is, a 18. századig mégsem terjedtek el széleskörűen az összetett mikroszkópok. Ennek alapvető oka, hogy az akkoriban gyártott lencsék minősége és a mikroszkóp építéséhez alkalmazott gyártástechnológia pontatlansága olyan mértékű volt, hogy a kétlépcsős nagyítással létrehozott képek minősége elmaradt az egyszerű nagyítókétól. A 18. és 19. században azonban mind az optikai mind a mechanikai alkatrészek minősége jelentősen javult. Ekkoriban az angol és német mikroszkópgyártók fejlődése és későbbi versengése révén nagyot lépett előre a mikroszkópok teljesítménye. Az 1900-as évekre a gyártók már túlléptek a mikroszkóp felépítmények tökéletesítésén és a cél a lencsehibák minél nagyobb mértékű kiküszöbölése, a különböző speciális üvegtípusok és lencsebevonatok létrehozása, valamint a lehető legnagyobb részletgazdagságú képalkotás lett. A 20. század 13

elején kidolgoztak számos, az eltérő megvilágítási módokon és fényszűrési technikákon alapuló módszert a kontraszt növelésére, majd az integrált áramkörök és az elektronikai fényérzékelők megjelenésével elkészítették az első digitális mikroszkópokat.

2.2.2.A fénymikroszkóp felépítése A manapság használatos optikai mikroszkópok felhasználási területei és felépítésük rendkívül szerteágazó, de működésük elve és alapegységeik hasonlóságot mutatnak. A legfontosabb részeket mutatja be a 3. ábra.

16. ábra: A mikroszkóp felépítése

A tárgylencse (objektív) feladata, hogy a vizsgált tárgyról nagyított képet készítsen. A ma kapható objektívek gyakorlatilag mindegyike valamilyen szinten optikai hibákra korrigált, több lencsét tartalmazó rendszer. Az objektív alapvetően meghatározza a mikroszkóp nagyítási tartományát és azt, hogy milyen kis részleteket lehet a mikroszkópi képen megkülönböztetni. A tárgylencse valós (ernyőn felfogható) képet ad, amit a tubusba vetít. A szemlencse (okulár) feladata, az objektív által készített kép további nagyítása. A szemlencse látszólagos képet ad, amit a szemünkkel érzékelünk. A modern mikroszkópokban a szemlencse is egy összetett lencserendszer, hasonlóan az objektívhez. A tubus a szemlencse és a tárgylencse közötti cső. Ez szolgál az okulár és az objektív megfelelő távolságú és azonos optikai tengelyű pozícionálására, de akár további nagyító vagy fénytörő, megosztó optikai elemeket (prizmák) is tartalmazhat. Az élességállító rendszerrel a minta és a mikroszkópfej közötti távolság állítható oly módon, hogy a tárgy fókuszba kerüljön. Általában külön durva és finommechanikájú élességállító szerkezet is van. A tárgyasztal, a mintamozgató szerkezettel biztosítja a minta megfelelő rögzítését és mozgatását. Az elektronikus vezérlésű mikroszkópoknál a tárgyasztal X-Y és néha Z irányban is képes mozogni (akár 100 nm-es léptetéssel is), így önmagában elláthatja az élességállítás feladatkörét is. A mechanikus és elektromos részeknek a megfelelő védelmet, stabilitást, illetve rezgésmentességet a robosztus váz és állvány biztosítja. Korábban csak tükröket alkalmaztak a szórt napfény 14

összegyűjtésére és a minta megvilágítására. Később lámpaházban elhelyezett halogén izzó majd xenonnal töltött kisülőlámpa lett a fényforrás. Ezek széles spektrumú (380-780 nanométer közötti), fehér fényt szolgáltatnak. Ma már nem ritka a LED-es megvilágítás sem. Az optimális fényviszonyok eléréséhez azonban biztosítani kell a fényforrás és a lencserendszer egytengelyűségét, valamint a megfelelő fényrekesz beállításokat is. A kollektor és kondenzor lencsék feladata a fényforrásból jövő fény összegyűjtése és párhuzamosítása. A tárgy közelében lévő kondenzor lencserendszer az összes fényt a tárgylencse látómezejébe fókuszálja, így érthető, hogy egy mikroszkóp teljesítményének maximális kihasználásához a kondenzor és az objektív gondos összehangolására, beállítására van szükség.

2.2.3. Digitális képalkotás és elemzés a mikroszkópiában Az elmúlt néhány évtizedben a digitális kamerák robbanásszerű fejlődésen mentek keresztül. Közel 40 különböző gyártó kínálja termékeit világszerte a legkülönbözőbb igényeket kielégítve. A működési elv egyszerű: az objektív lencserendszere által felnagyított képet valódivá alakítjuk és egy érzékelőre vetítjük ernyő és film felhasználása nélkül. Bár az érzékelőkben megtalálható pixelek száma (amik a rájuk eső fény érzékelésére képesek), évről évre növekszik, a manapság alkalmazott chipekkel elérhető felbontás elmarad a fotópapír minőségéhez képest. Ennek ellenére a digitális technológia létjogosultsága a mikroszkópia területén is bizonyított. Ez könnyen belátható akkor is, ha csak néhány példát említünk, ami a számítástechnika és a mikroszkópia ötvözése révén jön létre: digitális adattárolás, keresés, archiválás lehetősége; a képi információk gyors és egyszerű kinyerése (számtalan mérési, összehasonlítási lehetőség, kvalitatív és kvantitatív kiértékelések), mindezek automatizálása; videofelvételek készítése, automatikus fókuszkeresés stb. Bár korábban, a digitális mikroszkópia kezdetén (80-as évek) az elektronikus kamerák piacán jelen voltak az egyszerű és olcsó megoldást kínáló csőkamerák (Vidicon család) a 90es évektől kezdve felváltották őket az akkor rohamos fejlődést mutató CCD (charge coupled device = töltéscsatolt eszköz) érzékelővel ellátott kamerák. Egy CCD érzékelő minden egyes pixele képes a ráeső fénysugár hatására létrejövő töltést (fotoelektromos effektus) tárolni a besugárzás megszűnését követő jelkiolvasásig. A CCD-k előnyös tulajdonsága a kis torzítás, a nagy érzékenység és a válaszjel nagyfokú linearitása. Bár a videokamerák hétköznapi elterjedése a CCD-k megjelenésének köszönhető, azonban a CCD érzékelők hátránya, hogy a működtetésükhöz szükséges segédáramkörök száma meglehetősen nagy és ez bonyolítja, drágítja a gyártást. Emiatt a digitális képalkotásban a jövőben fokozatosan felváltja őket a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) vagy más néven”camera on chip” technológia. A CMOS eszközök gyártása relatíve gazdaságos és a mikroprocesszorok vagy a memóriakártyák területén megjelenő folyamatos újítások viszonylag könnyen adaptálhatók a szenzorokba.

15

17. ábra: Egy CMOS szenzor felépítésének sematikus rajza

A CMOS érzékelő működése ugyanazon a fotoelektromos effektuson alapul, mint a CCD-é, de a hasonlóság itt véget is ér, hiszen a töltéskép-kiolvasás módja, a jelfeldolgozó áramkörök kialakítása, a színszűrési módszer, a félvezető technológia már jelentős műszaki és gyártástechnológiai eltéréseket mutat. A CMOS integrált áramkör közepén is egy optikai érzékelő található, amely periodikus mátrixba rendezett, fényszűrőkkel egybeépített, különálló fotódiódákból áll. Minden egyes pixel zöld, kék és piros színszűrőkkel ellátott fotódiódákat tartalmaz hasonlóan a CCD-khez. A CMOS-nál azonban minden pixelhez külön jelerősítő tartozik és a fotonok által a diódákban gerjesztett jel is egymástól függetlenül olvasható ki a pixelekből. Ez a független erősítés jelentősen növeli az érzékelő teljesítményét (kisebb zaj és torzítás). Az egymástól független jelerősítésből fakadó kis eltérések és a CMOS szenzor CCD-vel szembeni kisebb fényérzékenysége (egyelőre a CMOS szenzorok kisebb területűek) azonban rontja a képminőséget. Mindezek ellenére a CMOS szenzorok felépítésüknél fogva a CCD-k több hátrányos tulajdonságát is kiküszöbölik, így további terjedésük várható a jövőben.

2.2.4. Mintakészítés Az optikai mikroszkópiában használatos mintakészítési (vágás, preparálás, színezés, kontrasztosítás stb.) módszerek részletes ismertetése és összefoglalása a szerteágazó tudományágak miatt enciklopédiai méreteket öltene, így a jegyzet keretein belül csak néhány általánosan használt technikát mutatunk be. Az optikai mikroszkópia előnye, hogy sok esetben egyáltalán nem vagy csak nagyon egyszerű minta-előkészítést igényel (összevetve az elektronmikroszkópos és atomi erő mikroszkópos módszerekkel). Különböző porok és szálak vagy tömbi minták morfológiai vizsgálatához elegendő azokat egy mintatartóra vagy tárgylemezre helyezni és azonnal vizsgálhatók átmenő fényben vagy reflexiós üzemmódban. Kis szemcseméretű anyagok (polimer porok, pigmentek, ásványi anyagok porai stb.) aggregátumokat képezhetnek, így ezekből szuszpenziók készítése és tárgylemezre cseppentése a legcélszerűbb. 16

Tömbi minták belső szerkezetének vizsgálatát elvégezhetjük töret felületek létrehozásával (szobahőmérsékletű vagy fagyasztva törés). Különböző ásványok, polimerek, fémek és fémötvözetek kristály vagy fázisszerkezetének vizsgálata is elképzelhető tört felületeken, de a törés során létrejövő egyenetlen felület a hagyományos fénymikroszkópok kis mélységélessége miatt megnehezíti részletgazdag képek készítését. Ez digitális mikroszkópok használatával részben megoldható, ugyanis a különböző tárgyasztalmagasságokban készített felvételek megfelelő számítási kapacitás mellett háromdimenziós képekké konvertálhatók. Ennél általában olcsóbb és könnyebben hozzáférhető megoldás csiszolatok készítése. Ezek előállításához különböző működési elvű csiszoló berendezések szerezhetők be, amelyek eltérő finomságú csiszoló vásznakkal szerelhetők fel a jobb felületi minőség eléréséhez. Modernebb berendezések ipari gyémánt porokat is használnak polírozott felületek létrehozására. Porózus minták (pl. habok, membránok), biológiai szervezetek belső szerkezetének vizsgálatára a mintákból olyan vékony szeleteket kell vágnunk, amelyek átvilágíthatók a mikroszkóp alatt. Ez a vastagság függ a minta anyagától és szerkezetétől, de az esetek többségében néhány tíz mikrométernél vastagabb szelet már nem világítható át. A legegyszerűbben egy éles pengével készíthetünk metszeteket, de ez csak kevés mintánál valósítható meg és reprodukálhatósága nagyon rossz. A metszés történhet mikrotómmal is. A mikrotómban egy elektronikusan vezérelt mechanikus szerkezet, éles kés segítségével adott vastagságú szeletet vág le a mintából. A kések anyaga lehet fém, üveg vagy akár gyémánt is. A kés anyagának keménysége nyilvánvalóan limitálja az elvágható minta anyagi minőségét. A kapott szeletek minőségét befolyásolja a metszet területe, a vágás sebessége, a kés él- és mintafelülettel bezárt szöge, valamint a metszetkészítés hőmérséklete. A mikrotómos vágáshoz általában be kell ágyazni a mintát egy mátrixba, annak érdekében, hogy a vágáshoz megfelelő szilárdsággal rendelkezzen. A leggyakrabban alkalmazott beágyazó szerek a paraffin, az epoxigyanta és az akril polimerek. A szelet vastagságát gyakorlatilag az alkalmazott kés élessége, a hőmérséklet és a mikrotóm szerkezetének precizitása szabja meg. Egy modern, precíziós mechanikával szerelt, folyékony nitrogénnel hűthető úgynevezett ultrakriomikrotómmal akár 50 nm vastagságú szeletek is készíthetők, amelyek már transzmissziós elektronmikroszkópiával is vizsgálhatók. Ezeknek a berendezéseknek az ára azonban már összevethető egy jól felszerelt mikroszkópéval. Fénymikroszkópiás vizsgálatra az 1 mikrométer vastagságú szelet már több mint elegendő, de alacsony üvegesedési hőmérsékletű polimerek és elasztomerek vizsgálatánál a hűthető mintatér nagyon hasznos. A fénymikroszkópiás minta-előkészítések közül, talán a biológiai minták preparálása a legösszetettebb. Egy egyszerű nyúzat készítése után is számos kiegészítő lépés szükséges az eredeti mintakép megőrzéséhez (fixálás, de/rehidratálás, színezés) és ezt sok esetben beágyazással, metszetkészítéssel vagy keményebb anyagok (csont, fog) esetén csiszolat készítéssel kell kombinálni.

17

Irodalomjegyzék [1] Sipos J., Apostol A., Molnár J.: Gyors prototípusgyártás, fordított mérnöki tevékenység (reverse engineering) a fegyveralkatrész gyártásban, Repüléstudományi Konferencia Közlemények, Szolnok, 2010 [2] T. Billiet, M. Vandenhaute, J. Schelfhout, S. Van Vlierberghe, P. Dubruel: A review of trends and limitations in hydrogel-rapid prototyping for tissue engineering, Biomaterials, 33, 6020-6041, 2002 [3] K. F. Leong, C.M. Cheah, C.K. Chua: Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for engineering replacement tissues and organs, Biomaterials 24, 2363–2378, 2003 [4] B. Mueller, D. Kochan: Laminated object manufacturing for rapid tooling and patternmaking in foundry industry, Computers in Industry, 39, 47–53, 1999 [5] L. E. Murra, S. M. Gaytana, D. A. Ramireza, E. Martineza, J. Hernandeza, K. N. Amatoa, P. W. Shindoa, F. R. Medinaa, R. B. Wickera: Metal Fabrication by Additive Manufacturing Using Laser and Electron Beam Melting Technologies, Journal of Materials Science & Technology, 28, 1–14, 2012 [6] N. Annabi, A. Tamayol, J. A. Uquillas, M. Akbari, L. E. Bertassoni, C. Cha, G. CamciUnal, M. R. Dokmeci, N. A. Peppas, Ali Khademhosseini: 25th Anniversary Article: Rational Design and Applications of Hydrogels in Regenerative Medicine, Advanced Materials, 26, 85–124, 2014 [7] F. Fischer: FDM and PolyJet 3D printing, Stratasys Inc, 2014 [8] J.P. Fouassie, X. Allonas, D. Burget: Photopolymerization reactions under visible lights: principle, mechanisms and examples of applications, Progress in Organic Coatings, 47, 16–36, 2003 [9] P. Weiss: Photo-induced polymerization, Pure and Applied Chemistry, 15, 587-600, 2009 [10] Three-dimensional fabricating material systems for producing dental products, US20140131908 A1, 2014 [11] H. Zhang, L. Wang, L. Song, G. Niu, H. Cao, G. Wang, H. Yang, S. Zhu: Controllable Properties and Microstructure of Hydrogels Based on Crosslinked Poly(ethylene glycol) Diacrylates with Different Molecular Weights, Journal of Applied Polymer Science, 121, 531–540, 2011 [12] E. Andrzejewska: Photopolymerization kinetics of multifuncitonal monomers, Progress in Polymer Science, 26, 605-665, 2001 [13] Photo-curable resin compositions and method of using the same in three-dimensional printing for manufacturing artificial teeth and denture base US 20140239527 A1, 2014 [14] B. Dybala: Mechatronika Modul 9: Gyors prototípusgyártás, Oktatói segédlet, Wroclaw Egyetem, Lengyelország, 2008

18