Учените разработват иновативна техника за 3D печат за създаване на стъклени микроструктури със светлина

Според ново проучване, публикувано в списание Science, изследователи от Калифорнийския университет в Бъркли са разработили нов метод за 3D печат на стъклени микроструктури. Този метод е по-бърз и произвежда обекти с по-високо оптично качество, гъвкавост и здравина на дизайна.

Изследователите, в сътрудничество с учени от университета във Фрайбург в Германия, разшириха възможностите на процес на 3D печат, който разработиха преди три години, Компютърна аксиална литография (CAL), за отпечатване на по-фини елементи и печат в стъкло. Те нарекоха новата система "микро-CAL".

Стъклото често е избраният материал за направата на сложни микроскопични обекти, включително лещите на малки, висококачествени камери, използвани в смартфони и ендоскопи, и микрофлуидни устройства, използвани за анализиране или обработка на малки количества течности. Въпреки това, настоящите производствени методи могат да бъдат бавни, скъпи и ограничени в способността си да отговорят на нарастващите изисквания на индустрията.

CAL процесът е фундаментално различен от днешния производствен процес на промишлен 3D печат, който изгражда обекти от тънки слоеве материал. Тази техника може да отнеме време и може да доведе до груби повърхностни текстури. Въпреки това, CAL 3D отпечатва целия обект едновременно. Изследователите са използвали лазер, за да проектират модел от светлина във въртящ се фоточувствителен материал, изграждайки триизмерна светлинна доза, която след това се втвърди в желаната форма. Безслоевият характер на CAL процеса позволява гладки повърхности и сложни геометрии.

Това изследване разширява границите на CAL, демонстрирайки способността му да отпечатва микромащабни характеристики в стъклени структури. „Когато за първи път публикувахме този метод през 2019 г., CAL можеше да отпечатва обекти в полимери с размери около една трета от милиметъра“, каза Хейдън Тейлър, главен изследовател и професор по машинно инженерство в UC Berkeley. .

„Сега с micro-CAL можем да печатаме обекти в полимери с характеристики, малки като около 20 милионни от метъра или около една четвърт от ширината на човешката коса. И за първи път демонстрирахме този подход Не можете да печатате само в полимери, но можете да печатате и в стъкло, с характеристики до около 50 милионни от метъра."

За да отпечатат стъкло, Тейлър и неговият изследователски екип си сътрудничат с учени от университета във Фрайбург, които разработиха специален материал от смола, съдържащ наночастици от стъкло, заобиколени от светлочувствителна лепилна течност. Дигиталната светлинна проекция от принтера втвърдява свързващото вещество и след това изследователите нагряват отпечатания обект, за да отстранят свързващото вещество и да слеят частиците заедно в твърд обект от чисто стъкло.

„Ключовият фактор тук е, че индексът на пречупване на свързващото вещество е почти същият като индекса на пречупване на стъклото, така че има малко разсейване на светлината, докато преминава през материала“, каза Тейлър. Процесът на CAL печат и този материал, разработен от Glassomer (GmbH), са перфектната комбинация един за друг."

Изследователският екип също проведе тестове и установи, че отпечатаните по CAL стъклени обекти имат по-стабилна здравина от обектите, направени с помощта на традиционни процеси на печат, базирани на слоеве. „Когато стъклените предмети съдържат повече дефекти или пукнатини или имат грапава повърхност, те са склонни да се счупят по-лесно“, каза Тейлър. Следователно, в сравнение с други процеси на 3D печат, базирани на слоеве, CAL прави обекти с по-гладки повърхности. Способността е голямо потенциално предимство."

Методът на 3D печат на CAL предлага на производителите на микроскопични стъклени обекти нов и по-ефективен начин да отговорят на взискателните изисквания на клиентите за геометрия, размер и оптични и механични свойства. По-конкретно, това включва производители на микроскопични оптични компоненти, които са ключова част от компактни камери, слушалки за виртуална реалност, усъвършенствани микроскопи и други научни инструменти. „Възможността да произвеждате тези части с по-голяма скорост и геометрична свобода има потенциала да доведе до нови възможности на устройството или по-ниски разходи“, каза Тейлър.