Znanstveniki razvijajo inovativno 3D tehniko tiskanja za ustvarjanje steklenih mikrostruktur s svetlobo

Po novi študiji, objavljeni v reviji Science, so raziskovalci univerze v Kaliforniji, Berkeley razvili novo metodo za mikrostrukture 3D tiskanja stekla. Ta metoda je hitrejša in proizvaja predmete z višjo optično kakovostjo, prilagodljivostjo oblikovanja in trdnostjo.

Raziskovalci so v sodelovanju z znanstveniki na Univerzi v Freiburgu v Nemčiji razširili zmožnosti 3D tiska, ki so ga razvili pred tremi leti, Računalska aksialna litografija (CAL), za tiskanje finejših lastnosti in tiskanje v steklu. Novi sistem so poimenovali mikro-CAL.

Steklo je pogosto material izbire za izdelavo zapletenih mikroskopskih predmetov, vključno z lečami majhnih, visokokakovostnih kamer, ki se uporabljajo v pametnih telefonih in endoskopih, in mikrofluidičnih naprav, ki se uporabljajo za analizo ali obdelavo drobnih količin tekočin. Vendar so trenutne proizvodne metode lahko počasne, drage in omejene v njihovi sposobnosti za izpolnitev naraščajočih zahtev industrije.

Proces CAL se bistveno razlikuje od danes industrijskega 3D postopka izdelave tiskanja, ki gradi predmete iz tankih plasti materiala. Ta tehnika je lahko dolgotrajna in lahko povzroči grobe površinske teksture. Vendar cal 3D hkrati natisne celoten predmet. Raziskovalci so uporabili laser za projektiranje vzorca svetlobe v vrtljivi fotoobčutljivi material, pri tem pa so zgradili tridimenzionalni svetlobni odmerek, ki se je nato strdil v želeno obliko. Brez plasti procesa CAL omogoča gladke površine in kompleksne geometrije.

Ta raziskava potiska meje CAL, ki dokazuje svojo sposobnost tiskanja mikro-toskalne funkcije v steklenih strukturah. "Ko smo leta 2019 prvič objavili to metodo, je CAL lahko natisnil predmete v polimere s funkcijami velikosti približno tretjino milimetra," je dejal Hayden Taylor, glavni preiskovalec in profesor strojnega inženiringa na UC Berkeley. .

"Zdaj lahko z mikro-CAL natisnemo predmete v polimerih s funkcijami, ki so majhne do približno 20 milijonov metrov, ali približno četrtino širine človeške dlake. In prvič smo pokazali ta pristop Ne le, da lahko tiskate v polimerih, temveč lahko tiskate tudi v steklu, s funkcijami do približno 50 milijonov metra.«.

Za tiskanje stekla sta Taylor in njegova raziskovalna ekipa sodelovala z znanstveniki na Univerzi v Freiburgu, ki so razvili poseben smolni material, ki vsebuje nanodelce stekla, obkrožen s svetlobno občutljivo lepilno tekočino. Digitalna svetlobna projekcija iz tiskalnika strdi zaklep, raziskovalci pa nato segrejejo natisnjen predmet, da odstranijo zaklep in delce združijo v trden predmet čistega stekla.

"Ključni dejavnik tukaj je, da je ognjevarni indeks zaklene skoraj enak ognjevarnem indeksu stekla, zato je malo raztresenosti svetlobe, ko gre skozi material," je dejal Taylor. Calov postopek tiskanja in ta glassomer (GmbH) razvit material sta popolna kombinacija drug drugega."

Raziskovalna ekipa je izvedla tudi teste in ugotovila, da imajo stekleni predmeti s cal tiskanim steklom bolj stabilno trdnost kot predmeti, narejeni s tradicionalnimi postopki tiskanja na osnovi plasti. "Ko stekleni predmeti vsebujejo več napak ali razpok, ali imajo grobo površino, se lažje razbijo," je dejal Taylor. Zato cal v primerjavi z drugimi postopki 3D tiskanja na osnovi plasti izdeluje predmete z gladkejšimi površinami. Sposobnost je velika potencialna prednost."

CAL-ov 3D način tiskanja proizvajalcem mikroskopskih steklenih predmetov ponuja nov in učinkovitejši način za izpolnitev zahtev strank po geometriji, velikosti ter optičnih in mehanskih lastnostih. To vključuje proizvajalce mikroskopskih optičnih komponent, ki so ključni del kompaktnih kamer, slušalk virtualne resničnosti, naprednih mikroskopov in drugih znanstvenih instrumentov. "Sposobnost izdelave teh delov z večjo hitrostjo in geometrijsko svobodo ima potencial, da vodi do novih zmogljivosti naprave ali nižjih stroškov," je dejal Taylor.