I ricercatori della UC Berkeley hanno sviluppato un nuovo modo per stampare microstrutture di vetro in 3D che è più veloce e produce oggetti con qualità ottica, flessibilità di progettazione e resistenza superiori, secondo un nuovo studio pubblicato nel numero del 15 aprile di Science .
Lavorando con gli scienziati dell'Università Albert Ludwig di Friburgo, in Germania, i ricercatori hanno ampliato le capacità di un processo di stampa 3D sviluppato tre anni fa, la litografia assiale computerizzata (CAL), per stampare caratteristiche molto più fini e per stampare su vetro . Hanno soprannominato questo nuovo sistema "micro-CAL".
Il vetro è il materiale preferito per la creazione di oggetti microscopici complessi, compresi gli obiettivi di fotocamere compatte e di alta qualità utilizzate negli smartphone e negli endoscopi, nonché i dispositivi microfluidici utilizzati per analizzare o elaborare piccole quantità di liquido. Ma gli attuali metodi di produzione possono essere lenti, costosi e limitati nella loro capacità di soddisfare le crescenti richieste del settore.
Il processo CAL è fondamentalmente diverso dagli odierni processi di produzione industriale di stampa 3D , che costruiscono oggetti da sottili strati di materiale. Questa tecnica può richiedere molto tempo e risultare in una superficie ruvida. CAL, tuttavia, stampa in 3D l'intero oggetto contemporaneamente. I ricercatori utilizzano un laser per proiettare schemi di luce in un volume rotante di materiale fotosensibile, creando una dose di luce 3D che poi si solidifica nella forma desiderata. La natura senza strati del processo CAL consente superfici lisce e geometrie complesse.
Un modello di microtubuli triforcato stampato in 3D. Credito: Adam Lau/Berkeley Engineering
Questo studio spinge i confini di CAL per dimostrare la sua capacità di stampare caratteristiche in microscala nelle strutture di vetro. "Quando abbiamo pubblicato per la prima volta questo metodo nel 2019, CAL poteva stampare oggetti in polimeri con caratteristiche di dimensioni fino a circa un terzo di millimetro", ha affermato Hayden Taylor, ricercatore principale e professore di ingegneria meccanica alla UC Berkeley. "Ora, con micro-CAL, possiamo stampare oggetti in polimeri con caratteristiche fino a circa 20 milionesimi di metro, o circa un quarto di larghezza di un capello umano. E per la prima volta, abbiamo mostrato come questo metodo non può stampare solo nei polimeri ma anche nel vetro, con caratteristiche fino a circa 50 milionesimi di metro."
Per stampare il vetro, Taylor e il suo team di ricerca hanno collaborato con scienziati dell'Università Albert Ludwig di Friburgo, che hanno sviluppato uno speciale materiale in resina contenente nanoparticelle di vetro circondate da un liquido legante fotosensibile. Le proiezioni di luce digitale della stampante solidificano il legante, quindi i ricercatori riscaldano l'oggetto stampato per rimuovere il legante e fondere le particelle insieme in un oggetto solido di puro vetro.
"Il fattore chiave qui è che il legante ha un indice di rifrazione che è praticamente identico a quello del vetro, in modo che la luce passi attraverso il materiale praticamente senza dispersione", ha affermato Taylor. "Il processo di stampa CAL e questo materiale sviluppato da Glassomer [GmbH] sono una combinazione perfetta l'uno con l'altro."
Il team di ricerca, che includeva l'autore principale Joseph Toombs, un Ph.D. studente nel laboratorio di Taylor, ha anche eseguito dei test e ha scoperto che gli oggetti di vetro stampati con CAL avevano una forza più costante di quelli realizzati utilizzando un processo di stampa convenzionale basato su strati . "Gli oggetti di vetro tendono a rompersi più facilmente quando contengono più difetti o crepe o hanno una superficie ruvida", ha affermato Taylor. "La capacità di CAL di realizzare oggetti con superfici più lisce rispetto ad altri processi di stampa 3D basati su livelli è quindi un grande potenziale vantaggio".
Il metodo di stampa 3D CAL offre ai produttori di oggetti di vetro microscopici un modo nuovo e più efficiente per soddisfare le esigenti richieste dei clienti in termini di geometria, dimensioni e proprietà ottiche e meccaniche. In particolare, questo include i produttori di componenti ottici microscopici, che sono una parte fondamentale di fotocamere compatte, cuffie per realtà virtuale, microscopi avanzati e altri strumenti scientifici. "Essere in grado di realizzare questi componenti più velocemente e con maggiore libertà geometrica potrebbe potenzialmente portare a nuove funzioni del dispositivo o prodotti a basso costo", ha affermato Taylor.
Ulteriori informazioni: Joseph T. Toombs et al, Produzione additiva volumetrica di vetro di silice con litografia assiale computerizzata su microscala, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abm6459
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