Gli scienziati sviluppano una tecnica di stampa 3D innovativa per creare microstrutture di vetro con la luce

Secondo un nuovo studio pubblicato sulla rivista Science, i ricercatori dell'Università della California, Berkeley, hanno sviluppato un nuovo metodo per la stampa 3D di microstrutture in vetro. Questo metodo è più veloce e produce oggetti con qualità ottica, flessibilità di progettazione e resistenza superiori.

I ricercatori, in collaborazione con gli scienziati dell'Università di Friburgo in Germania, hanno esteso le capacità di un processo di stampa 3D sviluppato tre anni fa, la litografia assiale computazionale (CAL), per stampare caratteristiche più fini e stampare su vetro. Hanno chiamato il nuovo sistema "micro-CAL".

Il vetro è spesso il materiale preferito per la realizzazione di oggetti microscopici complessi, compresi gli obiettivi di piccole fotocamere di alta qualità utilizzate negli smartphone e negli endoscopi e i dispositivi microfluidici utilizzati per analizzare o elaborare piccole quantità di liquidi. Tuttavia, 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 dall'odierno processo di produzione industriale della stampa 3D, che costruisce oggetti da sottili strati di materiale. Questa tecnica può richiedere molto tempo e può risultare in strutture superficiali ruvide. Tuttavia, CAL 3D stampa l'intero oggetto contemporaneamente. I ricercatori hanno utilizzato un laser per proiettare uno schema di luce in un materiale fotosensibile rotante, creando una dose di luce tridimensionale, che poi si è solidificata nella forma desiderata. La natura priva di strati del processo CAL consente superfici lisce e geometrie complesse.

Questa ricerca spinge i confini del CAL, dimostrando 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 circa un terzo di millimetro", ha affermato Hayden Taylor, ricercatore principale e professore di ingegneria meccanica presso la UC Berkeley. .

"Ora, con micro-CAL, possiamo stampare oggetti in polimeri con caratteristiche di circa 20 milionesimi di metro, o circa un quarto della larghezza di un capello umano. E, per la prima volta, abbiamo dimostrato questo approccio. puoi stampare solo su polimeri, ma puoi anche stampare su 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 di Friburgo, che hanno sviluppato uno speciale materiale in resina contenente nanoparticelle di vetro circondate da un liquido adesivo fotosensibile. La proiezione della luce digitale dalla stampante solidifica il legante e 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 l'indice di rifrazione del legante è quasi lo stesso dell'indice di rifrazione del vetro, quindi c'è poca dispersione della luce mentre passa attraverso il materiale", ha detto Taylor. Il processo di stampa CAL e questo materiale sviluppato da Glassomer (GmbH) sono la combinazione perfetta l'uno dell'altro."

Il team di ricerca ha anche condotto dei test e ha scoperto che gli oggetti in vetro stampati con CAL avevano una resistenza più stabile rispetto agli oggetti realizzati utilizzando i tradizionali processi di stampa a strati. "Quando gli oggetti di vetro contengono più difetti o crepe, o hanno una superficie ruvida, tendono a frantumarsi più facilmente", ha detto Taylor. Pertanto, rispetto ad altri processi di stampa 3D basati su livelli, CAL realizza oggetti con superfici più lisce. La capacità è un grande vantaggio potenziale".

Il metodo di stampa 3D di CAL offre ai produttori di oggetti in vetro microscopico 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 produrre queste parti con maggiore velocità e libertà geometrica ha il potenziale per portare a nuove funzionalità del dispositivo o ridurre i costi", ha affermato Taylor.