Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли разработали новый способ 3D-печати стеклянных микроструктур, который быстрее и позволяет создавать объекты с более высоким оптическим качеством, гибкостью конструкции и прочностью, согласно новому исследованию, опубликованному в выпуске журнала Science от 15 апреля.
Работая с учеными из Университета Альберта Людвига во Фрайбурге, Германия, исследователи расширили возможности разработанного ими три года назад процесса 3D-печати — компьютерной аксиальной литографии (CAL) — для печати гораздо более мелких элементов и печати на стекле . Они назвали эту новую систему «микро-CAL».
Стекло является предпочтительным материалом для создания сложных микроскопических объектов, включая линзы в компактных высококачественных камерах, используемых в смартфонах и эндоскопах, а также в микрожидкостных устройствах, используемых для анализа или обработки мельчайших количеств жидкости. Но современные методы производства могут быть медленными, дорогими и ограниченными в своих возможностях удовлетворять растущие потребности промышленности.
Процесс CAL принципиально отличается от современных промышленных производственных процессов 3D-печати , которые создают объекты из тонких слоев материала. Этот метод может занять много времени и привести к шероховатой текстуре поверхности. CAL, однако, 3D-печать всего объекта одновременно. Исследователи используют лазер для проецирования световых узоров на вращающийся объем светочувствительного материала, создавая дозу трехмерного света, которая затем затвердевает в желаемой форме. Бесслойный характер процесса CAL позволяет получать гладкие поверхности и сложные геометрические формы.
Это исследование раздвигает границы CAL, чтобы продемонстрировать его способность печатать микромасштабные элементы в стеклянных структурах. «Когда мы впервые опубликовали этот метод в 2019 году, CAL могла печатать объекты в полимерах с характеристиками размером примерно до трети миллиметра», — сказал Хайден Тейлор, главный исследователь и профессор машиностроения Калифорнийского университета в Беркли. «Теперь, с помощью micro-CAL, мы можем печатать объекты из полимеров с характеристиками примерно до 20 миллионных долей метра, или примерно до четверти ширины человеческого волоса. И впервые мы показали, как этот метод может печатать не только в полимеры, но и в стекло с характеристиками примерно до 50 миллионных долей метра».
Чтобы напечатать стекло, Тейлор и его исследовательская группа сотрудничали с учеными из Университета Альберта Людвига во Фрайбурге, которые разработали специальный полимерный материал, содержащий наночастицы стекла, окруженные светочувствительной связующей жидкостью. Цифровые световые проекции от принтера затвердевают связующее, затем исследователи нагревают напечатанный объект, чтобы удалить связующее и сплавить частицы вместе в твердый предмет из чистого стекла.
«Ключевым фактором здесь является то, что связующее имеет показатель преломления , который практически идентичен показателю преломления стекла, так что свет проходит через материал практически без рассеяния», — сказал Тейлор. «Процесс печати CAL и этот материал, разработанный Glassomer [GmbH], идеально подходят друг другу».
Исследовательская группа, в которую входил ведущий автор Джозеф Тумбс, доктор философии. студент лаборатории Тейлора, также провел тесты и обнаружил, что стеклянные объекты, напечатанные методом CAL, имеют более постоянную прочность, чем те, которые были изготовлены с использованием обычного процесса многослойной печати. «Стеклянные предметы, как правило, легче разбиваются, когда они содержат больше дефектов или трещин или имеют шероховатую поверхность», — сказал Тейлор. «Поэтому способность CAL создавать объекты с более гладкими поверхностями, чем другие процессы 3D-печати на основе слоев, является большим потенциальным преимуществом».
Метод CAL 3D-печати предлагает производителям микроскопических стеклянных объектов новый и более эффективный способ удовлетворить высокие требования клиентов к геометрии, размеру, оптическим и механическим свойствам. В частности, сюда входят производители микроскопических оптических компонентов, которые являются ключевой частью компактных камер, шлемов виртуальной реальности, современных микроскопов и других научных инструментов. «Возможность делать эти компоненты быстрее и с большей геометрической свободой потенциально может привести к появлению новых функций устройств или более дешевых продуктов», — сказал Тейлор.
