Wetenschap
Onderzoekers maken gebruik van wazig licht om optische componenten van hoge kwaliteit in 3D te printen
"We hebben met opzet optische vervaging toegevoegd aan de lichtbundels die voor deze 3D-printmethode worden gebruikt om optische precisiecomponenten te vervaardigen", zegt Daniel Webber van de National Research Council of Canada. "Dit maakt de productie van optisch gladde oppervlakken mogelijk."
In een onderzoek gepubliceerd in Optica Demonstreren deze onderzoekers de nieuwe methode door deze te gebruiken om een plano-convexe optische lens van millimeterformaat te maken met een beeldprestatie die vergelijkbaar is met die van een in de handel verkrijgbare glazen lens. Ze laten ook zien dat de methode optische componenten kan produceren die in slechts 30 minuten klaar zijn voor gebruik.
"We verwachten dat deze methode waardevol zal zijn voor kosteneffectieve en snelle prototyping van optische componenten vanwege de betaalbaarheid van de tomografische 3D-printer en de gebruikte materialen", aldus Webber. "Bovendien zou het inherente vrije-vormkarakter van tomografisch 3D-printen optische ontwerpers in staat kunnen stellen ontwerpen te vereenvoudigen door meerdere standaardoptieken te vervangen door geprinte optica met complexe vormen."
De randen gladstrijken
Tomografische volumetrische additieve productie is een relatief nieuwe productiebenadering waarbij gebruik wordt gemaakt van geprojecteerd licht om een lichtgevoelige hars in specifieke gebieden te laten stollen. Hiermee kan een heel onderdeel in één keer worden afgedrukt zonder enige ondersteunende structuur.
Bestaande tomografische methoden kunnen echter niet rechtstreeks lenzen van beeldkwaliteit printen, omdat de gebruikte potloodachtige bundels strepen veroorzaken die leiden tot kleine ribbels op het oppervlak van de component. Hoewel nabewerkingsstappen kunnen worden gebruikt om gladde oppervlakken te creëren, voegen deze benaderingen tijd en complexiteit toe, waardoor het voordeel van snelle prototyping dat gepaard gaat met tomografisch printen wordt weggenomen.
"Het vervaardigen van optische componenten is kostbaar vanwege de strenge technische specificaties die nodig zijn voor een functionerende lens, evenals het complexe en tijdrovende productieproces", aldus Dr. Webber. "Onscherpe tomografie kan worden gebruikt om op een goedkope manier vrije-vormontwerpen te maken. Naarmate de technologie volwassener wordt, kan het veel snellere prototyping voor nieuwe optische apparaten mogelijk maken, wat nuttig zou zijn voor iedereen, van commerciële fabrikanten tot uitvinders in garages."
Het maken van kleine lenzen
Om de nieuwe methode te testen, creëerden de onderzoekers eerst een eenvoudige plano-convexe lens en toonden aan dat deze een beeldresolutie had die vergelijkbaar was met een commerciële glazen lens met dezelfde fysieke afmetingen. Het vertoonde ook een vormfout op micronschaal, oppervlakteruwheid van minder dan nanometer en een puntspreidingsfunctie dichtbij de glazen lens.
Ze maakten ook een 3x3-array van microlenzen met behulp van wazige tomografie en vergeleken deze met een array die was afgedrukt met conventioneel tomografisch 3D-printen. Ze ontdekten dat het vanwege de grote oppervlakteruwheid niet mogelijk was om een visitekaartje af te beelden terwijl de array met conventionele middelen was bedrukt, maar dat dit wel mogelijk was met de array bedrukt met wazige tomografie. Bovendien demonstreerden de onderzoekers het overprinten van een kogellens op een optische vezel, wat voorheen alleen mogelijk was met behulp van een additieve productietechniek die bekend staat als twee-fotonenpolymerisatie.
Ze werken nu aan het verbeteren van de nauwkeurigheid van componenten door de lichtpatroonmethode te optimaliseren en door materiaalparameters in het printproces op te nemen. Ze willen ook automatisering van de printtijd introduceren om het systeem voldoende robuust te maken voor commercieel gebruik.
"Tomografisch 3D-printen is een snel volwassen vakgebied dat in veel toepassingsgebieden wordt gebruikt", aldus Webber. "Hier maken we gebruik van de intrinsieke voordelen van deze 3D-printmethode om optische componenten van millimeterformaat te vervaardigen. Door dit te doen, hebben we aan het repertoire van optische productietechnieken een snel en goedkoop alternatief toegevoegd dat mogelijk een impact zou kunnen hebben in de toekomst technologieën."