Forskere udvikler laserbaseret proces til 3-D-print af detaljerede glasobjekter

Forskere har udviklet en ny laserbaseret proces til 3-D-printning af indviklede dele lavet af glas. Med videre udvikling, den nye metode kunne være nyttig til at lave kompleks optik til syn, billeddannelse, belysning eller laserbaserede applikationer.

"De fleste 3-D printprocesser opbygger et objekt lag for lag, " sagde forskerholdsleder Laurent Gallais fra The Fresnel Institute og Ecole Centrale Marseille i Frankrig. "Vores nye proces undgår begrænsningerne af disse processer ved at bruge en laserstråle til at transformere - eller polymerisere - en flydende precursor til fast glas."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver , Gallais og forskerteammedlemmerne Thomas Doualle og Jean-Claude Andre demonstrerer, hvordan de brugte den nye teknik til at skabe detaljerede objekter i et 3-D volumen uden at bruge den klassiske lag-for-lag tilgang. Ved at bruge denne tilgang, de skabte en række forskellige silicaglasgenstande som miniaturemodeller af en cykel og Eiffeltårnet uden porer eller revner.

3-D print tilgangen er baseret på multifoton polymerisation, som sikrer, at polymerisation, en proces, der forbinder flydende monomermolekyler til en fast polymer, finder kun sted ved det præcise laserfokuspunkt. Det tillader direkte fremstilling af 3D-dele, der varierer i størrelse fra nogle få mikron til titusinder af centimeter med en opløsning, der teoretisk kun er begrænset af den optik, der bruges til laserstråleformning.

"Glas er et af de primære materialer, der bruges til at fremstille optik, "sagde Gallais." Vores arbejde er et første skridt i retning af at udvikle en proces, der en dag kan give forskere mulighed for at 3D-udskrive de optiske komponenter, de har brug for. "

At finde det rigtige materiale

Brug af en traditionel lag-for-lag tilgang til at bygge 3D-glasobjekter har flere begrænsninger. Udskrivningsprocessens hastighed er begrænset af den tid det tager at bygge lagene, og det kan være svært at skabe lag med ensartede tykkelser, når du bruger højviskose harpikser. Fremstilling af komplekse dele kræver typisk understøtninger, som skal placeres præcist og derefter fjernes, når genstanden hærder.

Selvom multifoton polymerisation kan bruges til at undgå lag-for-lag tilgang, 3-D-printende glasobjekter kræver et materiale, der er gennemsigtigt ved laserens bølgelængde både under den indledende væskefase og efter polymerisering. Det skal også absorbere laserlyset ved halvdelen af ​​laserbølgelængden for at starte multifotonpolymerisationsprocessen.

For at opnå dette, forskerne brugte en blanding indeholdende en fotokemisk initiator til at absorbere laserlyset, en harpiks og høj koncentration af silica nanopartikler. Ud over at fungere godt med laseren, denne blandings høje viskositet gør det muligt at danne en 3-D del uden deformationsproblemer eller understøtninger for at holde objektet på plads under 3-D print.

"Kritiske for teknikken var højeffekt ultrakorte lasere baseret på Strickland og Mourous chirped pulse amplification-teknologi, der blev anerkendt med en Nobelpris i 2018, "sagde Gallais." Kun intense og meget korte impulser vil skabe ikke-lineær fotopolymerisation med høj præcision og ingen termiske effekter. "

Test af processen

Efter at have valideret, at en fast genstand kunne skabes ved hjælp af silicananopartikelblandingerne, forskerne brugte deres 3-D-printmetode til at skabe objekter med komplekse former. De anvendte også en proces, der omdanner de polymeriserede dele til glas.

"Vores tilgang kunne potentielt bruges til at producere næsten enhver type 3-D glasobjekt, " sagde Gallais. "F.eks. vi undersøger muligheden for at producere glasdele, der kan bruges på luksusure eller parfumeflasker."

Forskerne arbejder på at gøre teknikken mere praktisk og reducere omkostningerne ved at eksperimentere med billigere laserkilder, for eksempel. De ønsker også at optimere processen for at forbedre overfladekvaliteten for at mindske ruheden.