Onderzoekers hebben een nieuw lasergebaseerd proces ontwikkeld voor het 3D-printen van ingewikkelde onderdelen van glas. Met verdere ontwikkeling, de nieuwe methode kan nuttig zijn voor het maken van complexe optica voor zicht, in beeld brengen, verlichting of op laser gebaseerde toepassingen.

"De meeste 3D-printprocessen bouwen een object laag voor laag op, "Zei onderzoeksteamleider Laurent Gallais van het Fresnel Instituut en Ecole Centrale Marseille in Frankrijk. "Ons nieuwe proces vermijdt de beperkingen van deze processen door een laserstraal te gebruiken om een ​​vloeibare voorloper om te zetten of te polymeriseren in massief glas."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , Gallais en leden van het onderzoeksteam Thomas Doualle en Jean-Claude Andre laten zien hoe ze de nieuwe techniek gebruikten om gedetailleerde objecten in een 3D-volume te creëren zonder de klassieke laag-voor-laag benadering te gebruiken. Met behulp van deze aanpak, ze creëerden een verscheidenheid aan objecten van kwartsglas, zoals miniatuurmodellen van een fiets en de Eiffeltoren zonder poriën of scheuren.

De 3D-printbenadering is gebaseerd op multifotonpolymerisatie, die ervoor zorgt dat polymerisatie, een proces dat vloeibare monomeermoleculen aan elkaar koppelt tot een vast polymeer, vindt alleen plaats op het precieze laserbrandpunt. Het maakt directe fabricage mogelijk van 3D-onderdelen die in grootte variëren van enkele microns tot tientallen centimeters met een resolutie die theoretisch alleen wordt beperkt door de optica die wordt gebruikt voor het vormen van laserstralen.

"Glas is een van de primaire materialen die worden gebruikt om optica te maken, "Zei Gallais. "Ons werk is een eerste stap in de richting van de ontwikkeling van een proces waarmee wetenschappers ooit de optische componenten die ze nodig hebben in 3D kunnen printen."

Het juiste materiaal vinden

Het gebruik van een traditionele laag-voor-laag benadering om 3D-glasobjecten te bouwen, heeft verschillende beperkingen. De snelheid van het printproces wordt beperkt door de tijd die nodig is om de lagen op te bouwen, en het kan moeilijk zijn om lagen met consistente diktes te maken bij het gebruik van zeer viskeuze harsen. Het maken van complexe onderdelen vereist doorgaans ondersteuningen, die nauwkeurig moet worden gepositioneerd en vervolgens moet worden verwijderd zodra het object uithardt.

Hoewel multifotonpolymerisatie kan worden gebruikt om de laag-voor-laagbenadering te vermijden, Voor het 3D printen van glasobjecten is een materiaal nodig dat transparant is bij de golflengte van de laser, zowel tijdens de initiële vloeibare fase als na polymerisatie. Het moet ook het laserlicht absorberen op de helft van de lasergolflengte om het multifoton-polymerisatieproces te starten.

Om dit te bereiken, gebruikten de onderzoekers een mengsel met een fotochemische initiator om het laserlicht te absorberen, een hars en een hoge concentratie aan silica-nanodeeltjes. Naast het goed werken met de laser, Door de hoge viscositeit van dit mengsel kan een 3D-onderdeel worden gevormd zonder vervormingsproblemen of ondersteuningen om het object op zijn plaats te houden tijdens het 3D-printen.

"Kritiek voor de techniek waren ultrakorte lasers met hoog vermogen op basis van Strickland en Mourou's chirped pulse amplification-technologie die in 2018 met een Nobelprijs werden bekroond, " zei Gallais. "Alleen intense en zeer korte pulsen zullen niet-lineaire fotopolymerisatie met hoge precisie en zonder thermische effecten veroorzaken."

Het proces testen

Na validatie dat een vast object kon worden gemaakt met behulp van de mengsels van silica-nanodeeltjes, de onderzoekers gebruikten hun 3D-printbenadering om objecten met complexe vormen te maken. Ze pasten ook een proces toe dat de gepolymeriseerde delen omzet in glas.

"Onze aanpak zou mogelijk kunnen worden gebruikt om bijna elk type 3D-glasobject te produceren, "zei Gallais. "Bijvoorbeeld, we onderzoeken de mogelijkheid om glazen onderdelen te produceren die kunnen worden gebruikt op luxe horloges of parfumflesjes."

De onderzoekers werken eraan om de techniek praktischer te maken en de kosten te verlagen door te experimenteren met goedkopere laserbronnen, bijvoorbeeld. Ze willen ook het proces optimaliseren om de oppervlaktekwaliteit te verbeteren en de ruwheid te verminderen.