Forskere udvikler innovativ 3D-udskrivningsteknik til at skabe glasmikrostrukturer med lys

Ifølge en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Science har forskere ved University of California, Berkeley udviklet en ny metode til 3D-udskrivning af glasmikrostrukturer. Denne metode er hurtigere og producerer objekter med højere optisk kvalitet, designfleksibilitet og styrke.

Forskerne har i samarbejde med forskere ved Freiburg Universitet i Tyskland udvidet mulighederne i en 3D-printproces, de udviklede for tre år siden, Computational Axial Lithography (CAL), til at printe finere funktioner og printe i glas. De kaldte det nye system "micro-CAL."

Glas er ofte det valgte materiale til fremstilling af komplekse mikroskopiske genstande, herunder linserne på små kameraer af høj kvalitet, der anvendes i smartphones og endoskoper, og mikrofluidiske enheder, der bruges til at analysere eller behandle små mængder væsker. Imidlertid kan de nuværende fremstillingsmetoder være langsomme, dyre og begrænsede i deres evne til at imødekomme industriens voksende krav.

CAL-processen er fundamentalt forskellig fra nutidens industrielle 3D-printfremstillingsproces, som opbygger objekter fra tynde lag af materiale. Denne teknik kan være tidskrævende og kan resultere i ru overfladeteksturer. CAL 3D udskriver dog hele objektet på samme tid. Forskerne brugte en laser til at projicere et mønster af lys ind i et roterende lysfølsomt materiale og opbyggede en tredimensionel lysdosis, som derefter størknede til den ønskede form. CAL-processens lagfrie natur muliggør glatte overflader og komplekse geometrier.

Denne forskning skubber grænserne for CAL og demonstrerer dets evne til at udskrive mikroskalafunktioner i glasstrukturer. "Da vi først offentliggjorde denne metode i 2019, kunne CAL udskrive objekter i polymerer med funktioner omkring en tredjedel af en millimeter i størrelse," siger Hayden Taylor, hovedforsker og professor i maskinteknik ved UC Berkeley. .

"Nu kan vi med micro-CAL udskrive objekter i polymerer med funktioner så små som omkring 20 milliontedel af en meter eller omkring en fjerdedel af bredden af et menneskehår. Og for første gang har vi demonstreret denne tilgang Ikke alene kan du udskrive i polymerer, men du kan også udskrive i glas med funktioner ned til omkring 50 milliontedle af en meter."

For at udskrive glas samarbejdede Taylor og hans forskerhold med forskere ved Freiburg Universitet, der udviklede et specielt harpiksmateriale indeholdende nanopartikler af glas omgivet af en lysfølsom klæbemiddelvæske. Digital lysprojektion fra printeren størkner bindemidlet, og forskerne opvarmer derefter det trykte objekt for at fjerne bindemidlet og smelte partiklerne sammen til et fast objekt af rent glas.

"Nøglefaktoren her er, at bindemidlets brydningsindeks er næsten det samme som glassets brydningsindeks, så der er lidt spredning af lys, når det passerer gennem materialet," sagde Taylor. CAL-udskrivningsprocessen og dette Glassomer (GmbH) udviklede materiale er hinandens perfekte kombination."

Forskerholdet gennemførte også tests og fandt ud af, at CAL-trykte glasgenstande havde mere stabil styrke end objekter fremstillet ved hjælp af traditionelle lagbaserede trykprocesser. "Når glasgenstande indeholder flere defekter eller revner eller har en ru overflade, har de en tendens til at knuse lettere," sagde Taylor. Sammenlignet med andre lagbaserede 3D-udskrivningsprocesser fremstiller CAL derfor objekter med glattere overflader. Kapacitet er en stor potentiel fordel."

CAL's 3D-printmetode giver producenter af mikroskopiske glasgenstande en ny og mere effektiv måde at imødekomme kundernes krævende krav til geometri, størrelse og optiske og mekaniske egenskaber. Specifikt omfatter dette producenter af mikroskopiske optiske komponenter, der er en vigtig del af kompakte kameraer, virtual reality-headset, avancerede mikroskoper og andre videnskabelige instrumenter. "At være i stand til at fremstille disse dele med større hastighed og geometrisk frihed har potentialet til at føre til nye enhedsfunktioner eller lavere omkostninger," sagde Taylor.