Vedci vyvíjajú inovatívnu techniku ​​3D tlače na vytváranie sklenených mikroštruktúr so svetlom

Podľa novej štúdie publikovanej v časopise Science vedci z Kalifornskej univerzity v Berkeley vyvinuli novú metódu 3D tlače mikroštruktúr skla. Táto metóda je rýchlejšia a produkuje objekty s vyššou optickou kvalitou, dizajnovou flexibilitou a pevnosťou.

Výskumníci v spolupráci s vedcami z univerzity vo Freiburgu v Nemecku rozšírili možnosti procesu 3D tlače, ktorý vyvinuli pred tromi rokmi, Computational Axial Lithography (CAL), na tlač jemnejších prvkov a tlač do skla. Nový systém nazvali „micro-CAL“.

Sklo je často materiálom na výrobu zložitých mikroskopických objektov vrátane šošoviek malých, vysokokvalitných fotoaparátov používaných v smartfónoch a endoskopoch a mikrofluidných zariadení používaných na analýzu alebo spracovanie malých množstiev tekutín. Súčasné výrobné metódy však môžu byť pomalé, drahé a s obmedzenou schopnosťou uspokojiť rastúce požiadavky priemyslu.

Proces CAL sa zásadne líši od dnešného výrobného procesu priemyselnej 3D tlače, ktorý vytvára objekty z tenkých vrstiev materiálu. Táto technika môže byť časovo náročná a môže viesť k drsnej povrchovej štruktúre. CAL 3D však vytlačí celý objekt súčasne. Výskumníci použili laser na premietanie vzoru svetla do rotujúceho fotosenzitívneho materiálu, čím sa vytvorila trojrozmerná dávka svetla, ktorá potom stuhla do požadovaného tvaru. Bezvrstvová povaha procesu CAL umožňuje hladké povrchy a zložité geometrie.

Tento výskum posúva hranice CAL a demonštruje jeho schopnosť tlačiť mikrometrické prvky v sklenených štruktúrach. "Keď sme prvýkrát zverejnili túto metódu v roku 2019, CAL mohol tlačiť predmety do polymérov s vlastnosťami približne tretiny milimetra," povedal Hayden Taylor, hlavný výskumník a profesor strojného inžinierstva na UC Berkeley. .

"Teraz, s micro-CAL, môžeme tlačiť predmety z polymérov s vlastnosťami takými, ako je asi 20 milióntin metra alebo asi štvrtina šírky ľudského vlasu. A po prvýkrát sme demonštrovali tento prístup. môžete tlačiť len na polyméry, ale môžete tlačiť aj na sklo, s vlastnosťami až do veľkosti približne 50 milióntin metra."

Pri tlači skla Taylor a jeho výskumný tím spolupracovali s vedcami na univerzite vo Freiburgu, ktorí vyvinuli špeciálny živicový materiál obsahujúci nanočastice skla obklopené lepiacou kvapalinou citlivou na svetlo. Digitálna svetelná projekcia z tlačiarne spája spojivo a výskumníci potom zahrievajú vytlačený predmet, aby odstránili spojivo a spojili častice do pevného predmetu z čistého skla.

"Kľúčovým faktorom je, že index lomu spojiva je takmer rovnaký ako index lomu skla, takže pri prechode cez materiál dochádza k malému rozptylu svetla," povedal Taylor. Proces tlače CAL a tento materiál vyvinutý spoločnosťou Glassomer (GmbH) sú dokonalou kombináciou.“

Výskumný tím tiež vykonal testy a zistil, že sklenené predmety s potlačou CAL majú stabilnejšiu pevnosť ako predmety vyrobené pomocou tradičných procesov tlače na báze vrstiev. "Keď sklenené predmety obsahujú viac defektov alebo prasklín alebo majú drsný povrch, majú tendenciu sa ľahšie rozbiť," povedal Taylor. Preto v porovnaní s inými 3D tlačovými procesmi založenými na vrstvách vytvára CAL objekty s hladším povrchom. Schopnosť je veľkou potenciálnou výhodou."

Metóda 3D tlače od CAL ponúka výrobcom mikroskopických sklenených predmetov nový a efektívnejší spôsob, ako splniť náročné požiadavky zákazníkov na geometriu, veľkosť a optické a mechanické vlastnosti. Konkrétne ide o výrobcov mikroskopických optických komponentov, ktoré sú kľúčovou súčasťou kompaktných fotoaparátov, headsetov pre virtuálnu realitu, pokročilých mikroskopov a iných vedeckých prístrojov. „Schopnosť vyrábať tieto diely vyššou rýchlosťou a geometrickou voľnosťou má potenciál viesť k novým funkciám zariadení alebo nižším nákladom,“ povedal Taylor.