Forskere utvikler innovativ 3D-utskriftsteknikk for å lage glassmikrostrukturer med lys

Ifølge en ny studie publisert i tidsskriftet Science har forskere ved University of California, Berkeley utviklet en ny metode for 3D-printing av glassmikrostrukturer. Denne metoden er raskere og produserer objekter med høyere optisk kvalitet, designfleksibilitet og styrke.

Forskerne har i samarbeid med forskere ved Universitetet i Freiburg i Tyskland utvidet mulighetene til en 3D-utskriftsprosess de utviklet for tre år siden, Computational Axial Lithography (CAL), for å skrive ut finere egenskaper og skrive ut i glass. De kalte det nye systemet "micro-CAL."

Glass er ofte det valgte materialet for å lage komplekse mikroskopiske objekter, inkludert linsene til små kameraer av høy kvalitet som brukes i smarttelefoner og endoskoper, og mikrofluidenheter som brukes til å analysere eller behandle små mengder væsker. Imidlertid kan nåværende produksjonsmetoder være trege, dyre og begrenset i deres evne til å møte de økende kravene til industrien.

CAL-prosessen er fundamentalt forskjellig fra dagens industrielle 3D-utskriftsproduksjonsprosess, som bygger opp gjenstander fra tynne lag med materiale. Denne teknikken kan være tidkrevende og kan resultere i grove overflateteksturer. CAL 3D skriver imidlertid ut hele objektet samtidig. Forskerne brukte en laser for å projisere et lysmønster inn i et roterende fotosensitivt materiale, og bygget opp en tredimensjonal lysdose, som deretter størknet til ønsket form. Den lagfrie karakteren til CAL-prosessen muliggjør glatte overflater og komplekse geometrier.

Denne forskningen flytter grensene for CAL, og demonstrerer dens evne til å skrive ut mikroskalafunksjoner i glassstrukturer. "Da vi først publiserte denne metoden i 2019, kunne CAL skrive ut objekter til polymerer med egenskaper som er omtrent en tredjedel av en millimeter i størrelse," sa Hayden Taylor, hovedetterforsker og professor i maskinteknikk ved UC Berkeley. .

"Nå, med mikro-CAL, kan vi skrive ut objekter i polymerer med egenskaper så små som omtrent 20 milliondeler av en meter, eller omtrent en fjerdedel av bredden til et menneskehår. Og for første gang har vi demonstrert denne tilnærmingen Ikke bare kan du skrive ut i polymerer, men du kan også skrive ut i glass, med funksjoner ned til omtrent 50 milliondeler av en meter."

For å trykke glass samarbeidet Taylor og forskerteamet hans med forskere ved Universitetet i Freiburg, som utviklet et spesielt harpiksmateriale som inneholder nanopartikler av glass omgitt av en lysfølsom klebende væske. Digital lysprojeksjon fra skriveren størkner bindemidlet, og forskerne varmer deretter opp den trykte gjenstanden for å fjerne bindemidlet og smelte sammen partiklene til en solid gjenstand av rent glass.

"Nøkkelfaktoren her er at brytningsindeksen til bindemidlet er nesten den samme som brytningsindeksen til glasset, så det er liten spredning av lys når det passerer gjennom materialet," sa Taylor. CAL-utskriftsprosessen og dette Glassomer (GmbH)-utviklede materialet er hverandres perfekte kombinasjon."

Forskerteamet gjennomførte også tester og fant at CAL-trykte glassobjekter hadde mer stabil styrke enn gjenstander laget ved bruk av tradisjonelle lagbaserte utskriftsprosesser. "Når glassobjekter inneholder flere defekter eller sprekker, eller har en ru overflate, har de en tendens til å knuses lettere," sa Taylor. Derfor, sammenlignet med andre lagbaserte 3D-utskriftsprosesser, lager CAL objekter med jevnere overflater. Evne er en stor potensiell fordel."

CALs 3D-utskriftsmetode tilbyr produsenter av mikroskopiske glassobjekter en ny og mer effektiv måte å møte kundenes krevende krav til geometri, størrelse og optiske og mekaniske egenskaper. Dette inkluderer spesifikt produsenter av mikroskopiske optiske komponenter som er en sentral del av kompaktkameraer, virtual reality-headset, avanserte mikroskoper og andre vitenskapelige instrumenter. "Å kunne produsere disse delene med større hastighet og geometrisk frihet har potensial til å føre til nye enhetsegenskaper eller lavere kostnader," sa Taylor.