Laboratoriegennembrud inden for 3-D print af glas

Lawrence Livermore National Laboratory-videnskabsmænd og akademiske samarbejdspartnere har demonstreret syntesen af ​​gennemsigtigt glas gennem 3-D-print, en udvikling, der i sidste ende kan føre til at ændre designet og strukturen af ​​lasere og andre enheder, der inkorporerer optik.

Et hold af LLNL-forskere, sammen med videnskabsmænd fra University of Minnesota og Oklahoma State University, rapporter om oprettelsen af ​​3-D-printede transparente glaskomponenter i det seneste nummer af Avancerede materialer , offentliggjort online 28. april I avisen, forskerne beskriver en 3-D printteknik, der muliggør glasstrukturer og sammensætningsgradienter, der tidligere var umulige gennem konventionelle fremstillingsprocesser.

"Laboratoriet leder altid efter forskellige måder at skabe nye materialer til optiske applikationer på, " sagde LLNL kemiingeniør og projektleder Rebecca Dylla-Spears. "Vi har ikke tænkt os at erstatte de optiske materialer fremstillet med traditionelle midler, men vi forsøger at bibringe ny funktionalitet ved hjælp af additiv fremstilling. Dette er det første skridt til at kunne udskrive kompositionsgraderet glasoptik."

Andre forskningsinstitutioner har vist, at 3D-print af glas er muligt, tidligere demonstrationer har imidlertid involveret ekstrudering af smeltede glasfilamenter gennem et opvarmet printhoved eller anvendelse af lasere til selektivt at smelte og sammensmelte glaspulver. Med disse metoder, pulverne og filamenterne smelter ikke helt sammen i de korte tider, de opvarmes under udskrivningsprocessen, forskere sagde, hvilket fører til porøse eller uensartede strukturer, der ikke ville være egnede til optiske anvendelser.

Lawrence Livermores tilgang er ikke afhængig af udskrivning af smeltet glas; i stedet skaber forskerne brugerdefinerede blæk, der er dannet af koncentrerede suspensioner af glaspartikler med stærkt kontrollerede flowegenskaber, så de kan printes ved stuetemperatur. De trykte komponenter gennemgår derefter en omhyggeligt designet termisk behandling for at fortætte delene og fjerne tegn på trykprocessen. Endelig, de forarbejdede dele får en optisk kvalitetspolering. Forskere sagde, at tilgangen forbedrer oddsene for at opnå optisk ensartethed.

"Til udskrivning af højkvalitetsoptik, du burde ikke kunne se nogen porer og linjer, de skal være gennemsigtige, " sagde LLNL materialeingeniør Du Nguyen, som gennemgik adskillige blandinger af materialer, før de fandt den rigtige kombination. "Når vi fik en generel formulering til at virke, vi var i stand til at tilpasse det, så materialet kunne smelte sammen under udskrivningsprocessen. De fleste andre grupper, der har trykt glas, smelter glasset først og køler det ned senere, som har potentiale for resterende spændinger og revner. Fordi vi udskriver ved stuetemperatur, det er mindre et problem."

LLNL's metode bruger en "opslæmning" af silicapartikler ekstruderet gennem en direkte blæk-skriveproces. Det trykte produkt kommer uigennemsigtigt ud, men efter tørring og varmebehandling bliver gennemsigtig. I modsætning til 3D-print med smeltet glas, siger forskerne, metoden kræver ikke høje temperaturer under udskrivning, hvilket giver mulighed for funktioner i højere opløsning.

"Dette var et vigtigt første skridt, fordi der ikke har været nogen demonstration af tætte og gennemsigtige 3-D-printede glasstrukturer ved hjælp af denne printmetode [ekstrudering] " sagde Dylla-Spears. "Vi er på vej til 3-D-printet glasoptik."

Forskningen kunne give forskere mulighed for at printe glas, der inkorporerer forskellige brydningsindekser i en enkelt flad optik, i modsætning til de specielle former, der kræves til briller med konstant sammensætning for at opnå lignende linseegenskaber. På grund af evnen til at programmere sammensætningen, Nguyen sagde, trykte komponenter ville være nemmere og billigere at færdiggøre.

"Polering af komplekse eller asfæriske linser er ret arbejdskrævende og kræver en masse færdigheder, men at polere en flad overflade er meget nemmere, " sagde Nguyen. "Ved at kontrollere brydningsindekset i de trykte dele, du ændrer lysets bøjning, som muliggør en linse, der kunne poleres flad."

I stedet for at erstatte traditionel optik, forskere sagde, at de ønsker at udforske nye applikationer med sammensætningsgradienter, som ikke findes på markedet i dag. Design til nye optiske komponenter i stedet for at bruge hyldeoptik kunne reducere størrelsen, vægt eller omkostninger ved optiske systemer.

"Optisk fremstillingsforskning og udvikling er på vej mod friformsoptik, som er optik, der kan laves stort set til enhver kompleks form, " sagde Tayyab Suratwala, LLNL's programdirektør for optik og materialevidenskab og teknologi. "At udvide dette til 3-D-printet optik med kompositionsvariation kan i høj grad øge mulighederne for denne nye grænse."

Mens forskningen kunne udvide designrummet for optiske ingeniører, det kan også have applikationer uden for optikken, herunder glasmikrofluidiske enheder, der har komplekse og tidligere uopnåelige layouts, sagde forskere. Glas er et værdsat materiale til mikrofluidik på grund af dets optiske gennemsigtighed, kemisk resistens, mekaniske egenskaber og evne til at skræddersy dens overfladekemi og funktionalitet. Imidlertid, glas er vanskeligt at bearbejde og ætse for at gøre komplekse mikrofluidiske enhedsgeometrier mulige. 3D-printning af glas kunne ændre det, og holdet demonstrerede 3-D-print af et simpelt mikrofluidisk netværk.

"Opnåelse af sammensætning og strukturel kontrol for funktionelle materialer, i dette tilfælde for optiske komponenter og mikrofluidik, lover at åbne applikationsområdet for 3-D-printteknologier enormt, " sagde Eric Duoss, en materialeingeniør, der arbejder på projektet. "Det er ikke let at gøre, men vores tværfaglige team var i stand til at identificere og overvinde udfordringer inden for en bred vifte af områder, herunder kemi, materialer, ingeniørarbejde, fysik og optik, at skabe en robust og gentagelig tilgang til trykning af glas."

Nu hvor de har bevist, at det er muligt at udskrive gennemsigtigt glas, forskere retter deres opmærksomhed mod at lave faktiske højkvalitetsoptik og gradientindekslinser ved at variere glassets sammensætning. Den næste forhindring er Gradient Refractive Index (GRIN) optik, hvilket vil kræve mere procesforståelse og kontrol.