Lawrence Livermore National Laboratory-wetenschappers en academische medewerkers hebben de synthese van transparant glas aangetoond door middel van 3D-printen, een ontwikkeling die uiteindelijk zou kunnen leiden tot het veranderen van het ontwerp en de structuur van lasers en andere apparaten die optica bevatten.

Een team van LLNL-onderzoekers, samen met wetenschappers van de Universiteit van Minnesota en de Oklahoma State University, rapporteer de creatie van 3D-geprinte transparante glascomponenten in het laatste nummer van: Geavanceerde materialen , online gepubliceerd op 28 april. In de krant, de onderzoekers beschrijven een 3D-printtechniek die glasstructuren en compositiegradiënten mogelijk maakt die voorheen onmogelijk waren door conventionele productieprocessen.

"Het Lab is altijd op zoek naar verschillende manieren om nieuwe materialen te maken voor optische toepassingen, "Zei LLNL chemisch ingenieur en projectleider Rebecca Dylla-Spears. "We gaan de optische materialen die met traditionele middelen zijn gemaakt niet vervangen, maar we proberen nieuwe functionaliteit te geven met behulp van additive manufacturing. Dit is de eerste stap naar het printen van composietglasoptieken."

Andere onderzoeksinstellingen hebben aangetoond dat 3D-printen van glas mogelijk is, eerdere demonstraties hadden echter betrekking op het extruderen van gesmolten glasfilamenten door een verwarmde printkop of het gebruik van lasers om selectief glaspoeders te smelten en samen te smelten. Met deze methoden, de poeders en filamenten smelten niet volledig samen in de korte tijd dat ze tijdens het printproces worden verwarmd, onderzoekers zeiden, wat leidt tot poreuze of niet-uniforme structuren die niet geschikt zouden zijn voor optische toepassingen.

De aanpak van Lawrence Livermore is niet gebaseerd op het printen van gesmolten glas; in plaats daarvan maken de onderzoekers aangepaste inkten die zijn gevormd uit geconcentreerde suspensies van glasdeeltjes met sterk gecontroleerde vloei-eigenschappen, zodat ze bij kamertemperatuur kunnen worden geprint. De geprinte componenten ondergaan vervolgens een zorgvuldig ontworpen thermische behandeling om de onderdelen te verdichten en sporen van het printproces te verwijderen. Eindelijk, de bewerkte onderdelen krijgen een optische kwaliteitspolijsting. Onderzoekers zeiden dat de aanpak de kans vergroot om optische uniformiteit te bereiken.

"Voor het printen van hoogwaardige optica, je mag geen poriën en lijntjes zien, ze moeten transparant zijn, " zei LLNL materiaalingenieur Du Nguyen, die talloze mengsels van materialen doornam voordat ze de juiste combinatie vonden. "Toen we eenmaal een algemene formulering hadden om te werken, we konden het zo aanpassen dat het materiaal tijdens het printproces kon samensmelten. De meeste andere groepen die glas hebben bedrukt, smelten het glas eerst en koelen het later af, die het potentieel voor restspanning en barsten heeft. Omdat we op kamertemperatuur printen, dat is minder een probleem."

De methode van LLNL maakt gebruik van een "slurry" van silicadeeltjes die worden geëxtrudeerd via een direct-inkt-schrijfproces. Het bedrukte product is ondoorzichtig, maar na drogen en warmtebehandeling wordt transparant. In tegenstelling tot 3D-printen met gesmolten glas, de onderzoekers stellen, de aanpak vereist geen hoge temperaturen tijdens het printen, waardoor functies met een hogere resolutie mogelijk zijn.

"Dit was een belangrijke eerste stap omdat er geen demonstratie is geweest van dichte en transparante 3D-geprinte glasstructuren met behulp van deze printbenadering [extrusie], "Dylla-Spears zei. "We zijn op weg naar 3D-geprinte glasoptiek."

Het onderzoek zou wetenschappers in staat kunnen stellen glas te printen met verschillende brekingsindices in een enkele platte optiek, in tegenstelling tot de speciale vormen die nodig zijn voor glazen met een constante samenstelling om vergelijkbare lenseigenschappen te bereiken. Door de mogelijkheid om de compositie te programmeren, Nguyen zei, geprinte onderdelen zouden gemakkelijker en goedkoper af te werken zijn.

"Het polijsten van complexe of asferische lenzen is behoorlijk arbeidsintensief en vereist veel vaardigheid, maar een plat oppervlak polijsten is veel gemakkelijker, " zei Nguyen. "Door de brekingsindex in de gedrukte delen te controleren, je verandert de afbuiging van het licht, wat een lens mogelijk maakt die plat kan worden gepolijst."

In plaats van traditionele optica te vervangen, onderzoekers zeiden dat ze nieuwe toepassingen willen verkennen met compositiegradiënten die momenteel niet op de markt bestaan. Ontwerpen voor nieuwe optische componenten in plaats van kant-en-klare optica zou de grootte kunnen verkleinen, gewicht of kosten van optische systemen.

"Onderzoek en ontwikkeling op het gebied van optische fabricage neigt naar vrije vorm optica, die optica zijn die vrijwel elke complexe vorm kunnen worden gemaakt, " zei Tayyab Suratwala, LLNL's programmadirecteur voor Optica en Material Science and Technology. "Door dit uit te breiden naar 3D-geprinte optica met compositievariatie, kunnen de mogelijkheden van deze nieuwe grens aanzienlijk worden vergroot."

Hoewel het onderzoek de ontwerpruimte voor optische ingenieurs zou kunnen vergroten, het kan ook toepassingen hebben buiten de optica, inclusief glazen microfluïdische apparaten met complexe en voorheen onbereikbare lay-outs, aldus onderzoekers. Glas is een gewaardeerd materiaal voor microfluïdica vanwege de optische transparantie, chemische weerstand, mechanische eigenschappen en het vermogen om de oppervlaktechemie en functionaliteit aan te passen. Echter, glas is moeilijk te bewerken en te etsen om complexe microfluïdische apparaatgeometrieën haalbaar te maken. Het 3D-printen van glas zou dat kunnen veranderen, en het team demonstreerde 3D-printen van een eenvoudig microfluïdisch netwerk.

"Het bereiken van compositorische en structurele controle voor functionele materialen, in dit geval voor optische componenten en microfluïdica, belooft de toepassingsruimte voor 3D-printtechnologieën enorm te openen, " zei Eric Duoss, een materiaalingenieur die aan het project werkt. "Het is niet gemakkelijk om te doen, ons multidisciplinaire team was echter in staat om uitdagingen op een breed scala van gebieden te identificeren en te overwinnen, waaronder chemie, materialen, Engineering, natuurkunde en optica, om een ​​robuuste en herhaalbare benadering te creëren voor het printen van glas."

Nu ze hebben bewezen dat het printen van transparant glas mogelijk is, onderzoekers richten hun aandacht op het maken van hoogwaardige optica en gradiëntindexlenzen door de samenstelling van het glas te variëren. De volgende hindernis is de Gradient Refractive Index (GRIN)-optiek, wat meer begrip en controle van het proces vereist.