Revolutionaire Glasfabrikatie: Laser-gebaseerde Volumetrische Additive Manufacturing voor Precieze 3D-print van Siliciumglas

Traditionele glasmakerijtechnieken kunnen kostbaar en traag zijn, en 3D-printen van glas resulteert vaak in ruwe texturen, wat ze ongeschikt maakt voor gladde lenzen. Met een nieuwe laser-gebaseerde Volumetrische Additive Manufacturing (VAM) benadering — een opkomende technologie in near-instant 3D-printen — hebben onderzoekers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en de Universiteit van Californië, Berkeley, de mogelijkheid gedemonstreerd om microscopische objecten in siliciumglas te 3D-printen, als onderdeel van een inspanning om delicaat, laagloos optica te produceren dat in seconden of minuten gebouwd kan worden.

Computed Axial Lithography: "De Replicator"

Bijnamelijk "de replicator" naar het fictieve apparaat in "Star Trek" dat bijna elk object direct kan fabriceren, is de Computed Axial Lithography (CAL) technologie ontwikkeld door LLNL en UC Berkeley geïnspireerd op computed tomography (CT) imaging methoden. CAL werkt door projecties uit veel hoeken door een digitaal model van een doelobject te berekenen, deze projecties computationeel te optimaliseren en ze vervolgens in een draaiend volume van gevoelige hars te leveren met een digitale lichtprojector. In de tijd herstellen de geprojecteerde lichtpatronen, of bouwen ze op, een 3D lichtdosisverdeling in het materiaal, het object curerend bij punten die een lichtdrempel overschrijden terwijl de vat met hars draait. Het volledig gevormd object materialiseert in enkele seconden — ver sneller dan traditionele laag-voor-laag 3D-printtechnieken — en dan wordt de vat geleegd om het deel op te halen.

Micro-CAL met nanocomposite glas hars

Door een nieuwe microschaal VAM techniek genaamd micro-CAL, die een laser in plaats van een LED bron gebruikt, te combineren met een nanocomposite glas hars ontwikkeld door het Duitse bedrijf Glassomer en de Universiteit van Freiburg, rapporteerden UC Berkeley onderzoekers de productie van stevige, complexe microstructuur glasobjecten met een oppervlakterauwheid van slechts zes nanometer met kenmerken tot een minimum van 50 micron.

"Het micro-CAL proces, dat een hogere dosis licht produceert en 3D objecten sneller en met hogere resolutie cureert, gecombineerd met de nanocomposite harsen gekarakteriseerd bij LLNL, bleek een 'perfecte match voor elkaar',"

aldus UC Berkeley Associate Professor van Mechanische Engineering Hayden Taylor, de Principal Investigator van het project. Dit creëerde "opvallende resultaten in de sterkte van de geprinte objecten."

Superieure breuksterkte

Het team vergelijk de breuksterkte van glas gebouwd met micro CAL tegen objecten van dezelfde grootte gemaakt door een meer conventioneel laag-gebaseerd printproces. Het team vond dat de breukbelasting van CAL-geprinte structuren dichter bij elkaar lagen, wat betekent dat onderzoekers meer vertrouwen kunnen hebben in de breukbelasting van CAL-geprinte componenten dan conventionele technieken.

Toepassingen: van micro-optica tot lab-on-a-chip

De afgelopen jaren heeft de LLNL/UC Berkeley VAM samenwerking geëxperimenteerd met verschillende harsen en materialen om ingewikkelde objecten te creëren. De nieuwste vooruitgang voort uit een studie met UC Berkeley om nieuwe klassen van veelzijdige materialen te ontdekken die het bereik van chemistrien en materiaaleigenschappen bereikbaar via de VAM-methode kunnen uitbreiden.

Volgens de onderzoekers kan VAM-geprint glas impact hebben op massieve glasapparaten met microscopische kenmerken, optische componenten produceren met meer geometrische vrijheid en bij hogere snelheden, en potentieel nieuwe functies of lagere-kosten producten mogelijk maken.

Real-world toepassingen kunnen omvatten micro-optica in high-quality camera's, consumentenelektronica, biomedische imaging, chemische sensoren, virtual-reality headsets, geavanceerde microscopen en microfluidica met uitdagende 3D geometrieën zoals "lab-on-a-chip" toepassingen (waar microscopische kanalen nodig zijn voor medische diagnostiek), fundamentele wetenschappelijke studies, nanomateriaalfabrikatie, en geneesmiddelscreening.