📅 Data publikacji: 27.05.2025
W laboratoriach Politechniki Warszawskiej, w roku 2024, grupa pod kierownictwem dr. Jacka Nowaka stanęła przed zadaniem przezwyciężenia głównych ograniczeń technologii fotopolimeryzacji — czasu utwardzania i rozdzielczości. Tradycyjne systemy SLA (stereolitografia) i DLP (Digital Light Processing) oferowały precyzję rzędu 50–100 mikrometrów warstwy, lecz czas pojedynczego wydruku skomplikowanych detali sięgał nawet kilkunastu godzin. Dr Nowak postawił hipotezę, że można to skrócić dzięki modyfikacji fotoinicjatorów i intensyfikacji źródła światła UV, przy jednoczesnym zachowaniu ostrości wiązki światła.
Pierwsze eksperymenty polegały na syntezie nowych fotoinicjatorów na bazie diketonów aromatycznych, które wykazywały aktywację już przy długości fali 365 nm i pozwalały na szybszą polimeryzację. Zespół naniesiony cienką warstwą nowej żywicy testował czas naświetlania, zwiększając natężenie wiązki nawet pięciokrotnie w stosunku do standardowych lamp LED. Początkowo pojawiały się artefakty: przeutwardzenie krawędzi, zbyt szybki wzrost granulacji sieci polimerowej i pęknięcia między warstwami. W odpowiedzi na to, inżynierowie opracowali dynamiczny system sterowania natężeniem światła, który w czasie rzeczywistym zmieniał intensywność w zależności od gęstości modelu CAD — ciemniejsze obszary uzyskiwały krótsze impulsy, jasne — dłuższe.
W maju 2025 roku zbudowano prototypowy drukarkopodobny układ DLP z matrycą 4K i modułem mieszania fotoinicjatorów in situ. Prototyp osiągnął rozdzielczość warstwy 20 mikrometrów przy czasie utwardzania 2 s na warstwę dla obiektów o grubości 50 µm. Testowym modelem była miniaturowa replika amfibii o skomplikowanym wzorze łusek — każdy łusek miał nie więcej niż 100 µm szerokości. Po wydruku, przy użyciu mikroskopu skaningowego, sprawdzono, że krawędzie są ostre, a granica między pikselami niemal niewidoczna dla oka, potwierdzając sukces w osiągnięciu mikrodetali. 🎯
Na koniec pierwszej części dr Nowak podsumował: „Dzięki synchronizacji intensywności UV z dynamicznym zarządzaniem czasem polimeryzacji osiągnęliśmy precyzję mikronową w czasie krótszym niż standardowa minuta na centymetr wysokości modelu.” To otworzyło drogę do zastosowań w medycynie, biotechnologiach i mikroelektronice, gdzie liczy się każdy mikrometr.
W drugiej fazie projektu, finansowanej wspólnie przez polskie ministerstwo oraz konsorcjum firm technologicznych, skupiono się na adaptacji innowacji do potrzeb przemysłowych. Firma HoloPrint S.A. dostarczyła systemy DLP z polami roboczymi 200×120 mm, a naukowcy zaimplementowali moduły podwójnej ekspozycji: pierwszy impuls utwardzał profil ogólny warstwy, drugi — precyzyjnie rysował detale. Taki dwustopniowy proces redukował ryzyko niedokładności kształtów i minimalizował deformacje termiczne w większych obiektach.
Kluczowym zastosowaniem stało się prototypowanie części do urządzeń medycznych, np. złączy do endoskopów o złożonych kanałach wewnętrznych. Dzięki fotopolimeryzacji in-house, czas od projektu CAD do gotowego komponentu zmniejszono ze 72 h do 6 h. W zakładzie produkcyjnym w Katowicach drukowano kwartalnik form prototypowych dla nowych linii respiratorów, co pozwoliło na błyskawiczne modyfikacje kształtów i testy szczelności w warunkach szpitalnych.
Współpraca z branżą zegarmistrzowską przyniosła nietypowe, ale spektakularne efekty: drukowanie elementów mechanizmu balansowego o tolerancji 10 µm w stopie stalowym na bazie fotopolimerów z dodatkiem nanocząsteczek ferrytu. Po wypaleniu w piecu niskotemperaturowym otrzymywano struktury metalowe z mikrokanalikami, odpowiednimi do układów balansowych. Ten proces, opracowany w drugiej fazie, znacznie skrócił czas projektowania nowych modeli zegarków.
Towarzyszyły temu badania nad wielokolorowym SLA, w którym do żywicy dodawano barwniki aktywowane pod konkretne długości fali. To umożliwiło druk prototypów z oznaczeniami kolorystycznymi w jednym cyklu, co przyspieszyło proces weryfikacji form w branży motoryzacyjnej. 🚗
Na zakończenie części drugiej eksperci stwierdzili: „Fotopolimeryzacja ewoluowała z laboratoriów do produkcji masowej — teraz to technologia przyspieszonego projektowania, łącząca mikronową precyzję i krótkie cykle wytwarzania.”
W fazie trzeciej badacze skupili się na integracji fotopolimeryzacji z innymi technologiami. Uniwersytet Wrocławski opracował hybrydowy system LaserSLA, łączący szybkie napromieniowanie DLP z precyzyjnym laserem femtosekundowym. Laser ten wycinał nanostruktury — np. mikropory o średnicy 5 µm — bez negatywnego wpływu na resztę warstwy. Takie struktury znalazły zastosowanie w filtrach medycznych i mikrochwytakach do quadrokopterów.
W Coloplastics GmbH trwają prace nad biokompatybilnymi żywicami do drukowania implantów ślimakowych. Nowa żywica, zawierająca bioink z kolagenem i osteoindukcyjnymi peptydami, podczas utwardzania wytwarzała siatkę sprzyjającą wzrostowi komórek kostnych. Wstępne badania in vitro potwierdziły przyczepność komórek macierzystych i ich różnicowanie się w osteoblasty już po 7 dniach.
Kolejnym etapem jest rozwój fotopolimeryzacji w mikrofabrykach kosmicznych. Europejska Agencja Kosmiczna planuje instalację modułów DLP na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, by drukować części do instrumentów badawczych w mikrograwitacji. Badania wykazały, że w próżni utwardzanie żywic jest bardziej jednorodne, co może zwiększyć wytrzymałość i precyzję elementów.
Patrząc w przyszłość, dr Nowak skomentował: „Fotopolimeryzacja to technologia przyszłości — jej możliwości w skrócie druku w mikronach, szybkości i różnorodności materiałów otwierają nowe dziedziny: od medycyny regeneracyjnej po przemysł kosmiczny. To dopiero początek rewolucji w produkcji addytywnej.” 🌟