A tudósok innovatív 3D nyomtatási technikát dolgoznak ki üveg mikrostruktúrák létrehozására fénnyel

A Science folyóiratban megjelent új tanulmány szerint a Kaliforniai Egyetem, Berkeley kutatói új módszert fejlesztettek ki üveg mikrostruktúrák 3D-nyomtatására. Ez a módszer gyorsabb, és jobb optikai minőségű, tervezési rugalmasságú és szilárdságú objektumokat állít elő.

A kutatók a németországi Freiburgi Egyetem tudósaival együttműködve kibővítették a három éve kifejlesztett 3D nyomtatási eljárás, a Computational Axial Lithography (CAL) képességeit, hogy finomabb jellemzőket és üvegre nyomtathassanak. Az új rendszert "micro-CAL"-nek nevezték.

Az üveg gyakran a választott anyag összetett mikroszkopikus tárgyak készítéséhez, beleértve az okostelefonokban és endoszkópokban használt kicsi, jó minőségű kamerák lencséit, valamint a kis mennyiségű folyadék elemzésére vagy feldolgozására használt mikrofluidikus eszközöket. A jelenlegi gyártási módszerek azonban lassúak, drágák és korlátozottak lehetnek abban, hogy megfeleljenek az ipar növekvő igényeinek.

A CAL-eljárás alapvetően különbözik a mai ipari 3D nyomtatás gyártási folyamatától, amely vékony anyagrétegekből építi fel az objektumokat. Ez a technika időigényes lehet, és érdes felületi textúrákat eredményezhet. A CAL 3D azonban a teljes objektumot egyszerre nyomtatja ki. A kutatók lézer segítségével fénymintát vetítettek egy forgó fényérzékeny anyagba, így háromdimenziós fényadagot állítottak fel, amely aztán megszilárdult a kívánt formára. A CAL folyamat rétegmentessége sima felületeket és összetett geometriákat tesz lehetővé.

Ez a kutatás kitágítja a CAL határait, bizonyítva, hogy képes mikroméretű jellemzőket nyomtatni üvegszerkezetekben. "Amikor 2019-ben először közzétettük ezt a módszert, a CAL körülbelül harmadmilliméteres méretű polimerekké tudott nyomtatni tárgyakat" - mondta Hayden Taylor, a Berkeley Egyetem gépészmérnöke és professzora. .

"Most a micro-CAL segítségével olyan polimerekben nyomtathatunk objektumokat, amelyek jellemzői a méter körülbelül 20 milliomod része, vagyis az emberi hajszál szélességének negyede. És most először mutattuk be ezt a megközelítést. Not csak polimerre lehet nyomtatni, de üvegre is nyomtathat, amelynek jellemzői a méter körülbelül 50 milliomod részeig terjednek."

Az üveg nyomtatásához Taylor és kutatócsoportja együttműködött a Freiburgi Egyetem tudósaival, akik egy fényérzékeny ragasztófolyadékkal körülvett üveg nanorészecskéket tartalmazó speciális gyantaanyagot fejlesztettek ki. A nyomtatóból érkező digitális fényvetítés megszilárdítja a kötőanyagot, majd a kutatók felmelegítik a nyomtatott tárgyat, hogy eltávolítsák a kötőanyagot, és a részecskéket egy szilárd, tiszta üveg tárggyá olvasztják össze.

"A kulcstényező itt az, hogy a kötőanyag törésmutatója majdnem megegyezik az üveg törésmutatójával, így kevés a fényszóródás, amikor áthalad az anyagon" - mondta Taylor. A CAL nyomtatási eljárás és ez a Glassomer (GmbH) által kifejlesztett anyag tökéletes kombinációja egymásnak."

A kutatócsoport teszteket is végzett, és megállapította, hogy a CAL-nyomtatott üvegtárgyak szilárdsága stabilabb, mint a hagyományos rétegalapú nyomtatási eljárásokkal készült tárgyaké. "Ha az üvegtárgyak több hibát vagy repedést tartalmaznak, vagy durva felületűek, könnyebben törnek össze" - mondta Taylor. Ezért más rétegalapú 3D nyomtatási eljárásokkal összehasonlítva a CAL simább felületű objektumokat készít. A képesség nagy potenciális előny."

A CAL 3D nyomtatási módszere új és hatékonyabb módot kínál a mikroszkopikus üvegtárgyak gyártóinak arra, hogy megfeleljenek az ügyfelek geometriai, méretbeli, valamint optikai és mechanikai tulajdonságokkal kapcsolatos igényes követelményeinek. Konkrétan ide tartoznak a kompakt kamerák, a virtuális valóság fejhallgatók, a fejlett mikroszkópok és más tudományos műszerek kulcsfontosságú részét képező mikroszkopikus optikai alkatrészek gyártói. "Az, hogy ezeket az alkatrészeket nagyobb sebességgel és geometriai szabadsággal gyárthatjuk, új eszközképességeket vagy alacsonyabb költségeket eredményezhet" - mondta Taylor.