科學(xué)家將玻璃3D打印成具有“頭發(fā)厚度”的零件

魔猴君  行業(yè)資訊   975天前

弗萊堡大學(xué)的研究人員與加州大學(xué)伯克利分校的同事合作，提出了一種在微觀尺度上快速 3D 打印復(fù)雜玻璃部件的新方法。這種方法被稱為“微尺度計(jì)算軸向光刻”（Micro-CAL），涉及將樹(shù)脂從多個(gè)角度暴露于所需形狀的 2D 光圖像，當(dāng)它們重疊時(shí)，會(huì)觸發(fā)聚合。當(dāng)用于打印之前在弗萊堡磨練的 Glassomer 材料時(shí)，該團(tuán)隊(duì)表示，他們的無(wú)層工藝有可能解鎖具有新的微流體或微光學(xué)功能的設(shè)備。

“我們第一次能夠在幾分鐘內(nèi)打印出結(jié)構(gòu)在 50 微米范圍內(nèi)的玻璃，這大致相當(dāng)于一根頭發(fā)的厚度，”弗萊堡大學(xué)的 Frederik Kotz-Helmer 博士解釋說(shuō)。以高速和極大的幾何自由度制造此類組件的能力將在未來(lái)實(shí)現(xiàn)新功能和更具成本效益的產(chǎn)品。”

研究人員的“Micro-CAL”3D 打印過(guò)程。圖片來(lái)自弗萊堡大學(xué)。

“CAL”與串行沉積 3D 打印

據(jù)科學(xué)家稱，玻璃具有“無(wú)數(shù)用途”，這要?dú)w功于其高水平的光學(xué)透明度、耐熱性和耐化學(xué)性以及低熱膨脹系數(shù)。鑒于這些特性，這種材料有時(shí)也用于 3D 打印也就不足為奇了，然而，研究人員表示，逐層沉積會(huì)“引發(fā)缺陷”并“限制幾何自由度”。盡管許多 3D 打印工藝依賴于串行沉積，但確實(shí)存在的一種替代方法是計(jì)算軸向光刻 (CAL)。 CAL 不是在層中構(gòu)建物體，而是通過(guò)將光敏樹(shù)脂暴露于迭代優(yōu)化的投影中，將它們聚合成 3D 結(jié)構(gòu)，這反過(guò)來(lái)又使它們達(dá)到一個(gè)閾值，在該閾值上，它們的整個(gè)體積在前體材料中同時(shí)硬化。

由于該前體與被打印物體之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此可以利用高粘度納米復(fù)合材料作為該過(guò)程的一部分。 CAL 相對(duì)于逐層技術(shù)的另一個(gè)好處是不需要支撐來(lái)將構(gòu)建固定到位，因此該過(guò)程可能更適合創(chuàng)建復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)。

該團(tuán)隊(duì)的一些 3D 打印玻璃樣品和成像結(jié)果。圖片來(lái)自弗萊堡大學(xué)。

“Micro-CAL”打印“Glassomer”對(duì)象

為了評(píng)估 CAL 在微尺度上生產(chǎn)玻璃結(jié)構(gòu)的潛力，研究人員建立了自己的 Micro-CAL 系統(tǒng)。配備激光光源和低數(shù)值孔徑光纖的原型已被證明能夠在多次測(cè)試中縮小數(shù)字微鏡設(shè)備發(fā)出的光圖案。在這些實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們?cè)诩{米復(fù)合樹(shù)脂中聚合了一種載有納米顆粒的材料，該樹(shù)脂用于適當(dāng)?shù)刂С謽?gòu)建，然后將其移除并重新用于創(chuàng)建更多物體。準(zhǔn)備就緒后，將得到的綠色部件進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，在這個(gè)過(guò)程中，它們的納米顆粒結(jié)合在一起，產(chǎn)生完全致密的玻璃部件。

這一過(guò)程是由弗萊堡大學(xué)開(kāi)發(fā)的聚合物基二氧化硅玻璃的修訂版及其衍生的 Glassomer 實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)過(guò)調(diào)整，既高度透明，又在預(yù)定閾值下快速硬化。在實(shí)踐中，Micro-CAL 3D 打印材料使團(tuán)隊(duì)能夠在 30-90 秒的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出微結(jié)構(gòu)，塑料和玻璃的尺寸分別小至 20 μm 和 50 μm。與傳統(tǒng)制造的石英玻璃相比，研究人員的原型還具有 187.7 MPa 的更高的斷裂拉伸應(yīng)力，因?yàn)樗麄兊墓に嚤话l(fā)現(xiàn)限制了微裂紋和壓痕的形成?？紤]到這些好處，該項(xiàng)目背后的團(tuán)隊(duì)相信 Micro-CAL 很快就會(huì)被用作生產(chǎn)各種微型光學(xué)部件的手段，從用于 VR 頭顯的部件到現(xiàn)代顯微鏡。鑒于大多數(shù)芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備也依賴于復(fù)雜微流體通道的精確集成，科學(xué)家們相信他們的方法也可以用于臨床診斷工具。

一組 Micro-CAL 3D 打印玻璃原型。圖片來(lái)自弗萊堡大學(xué)。

玻璃3D打印的新興領(lǐng)域

盡管弗萊堡領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)批評(píng)了許多現(xiàn)有的玻璃 3D 打印方法，但其中一些方法現(xiàn)在開(kāi)始顯示出商業(yè)潛力。例如，Formnext 2021 創(chuàng)業(yè)挑戰(zhàn)賽冠軍 Nobula 去年告訴 3D 打印行業(yè)，它的目標(biāo)是在 2022 年將專用玻璃 3D 打印機(jī)和原料推向市場(chǎng)。

在類似的商業(yè)說(shuō)明中，Optiswiss 于 2021 年 11 月安裝了 Luxexcel 的 VisionPlatform 7 平臺(tái)，目的是為眼鏡客戶使用它來(lái) 3D 打印鏡片。交易簽署后，Optiswiss 首席執(zhí)行官塞繆爾·弗雷 (Samuel Frei) 聲稱，這為他的公司“提供了一條通往大批量生產(chǎn)處方智能眼鏡的明確道路”。

在實(shí)驗(yàn)層面，弗萊堡大學(xué)的科學(xué)家們過(guò)去也曾與 Nanoscribe 合作過(guò) 2PP 3D 打印玻璃二氧化硅微結(jié)構(gòu)。同樣，通過(guò)使用 Glassomer 材料，項(xiàng)目參與者發(fā)現(xiàn)他們能夠制造出表面粗糙度僅為 6 納米的復(fù)雜物體，遠(yuǎn)低于許多其他玻璃部件中的 40-200 納米。

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