3D打印玻璃可实现下一代传感,成像和光子学

3D打印玻璃可实现下一代传感,成像和光子学

2020-10-07 11:21:21 2

对于下一代光子学,传感和成像技术,3D打印玻璃的功能对于开发高度复杂,自由形式或小规模的结构至关重要。然而,事实证明,很难对3D打印玻璃进行处理,该玻璃的熔点超过1400°C,同时还保留了其独特的化学,机械和光学特性。

的最新进展,不仅导致了成功的3D玻璃的印刷,具有性质和形状完全相同商用玻璃,也进一步制定具体的三维打印技术打印玻璃结构的规模和复杂性永远不可能在─ 和可定制光学性质。其中之一是OptoGlass3D,3D打印玻璃所开发的新方法Glassomer有限公司和Nanoscribe有限公司,和弗赖堡大学和头部的巴斯蒂安拉普教授领导NeptunLab。

该OptoGlass3D项目用了一年的€10万捐款资助ATTRACT,协作举措将在欧洲的研究,产业和投资界共同开发下一代传感和成像解决方案,通过精简突破创新,采用新,大规模开放创新模型。反过来,ATTRACT则由“欧盟地平线2020”计划提供资金,迄今为止已向170个致力于突破性创新的项目提供了赠款。

2017年,卡尔斯鲁厄技术学院(KIT)的研究人员开发了一种3D打印玻璃的立体光刻(SLA)方法,分辨率为几十微米,甚至可能为150-500纳米(仅为二氧化硅颗粒大小的十倍) )。通过使用注入了玻璃纳米粉末油墨的光固化聚合物作为材料,该方法可以在室温下进行3D打印,并产生具有与商用熔融石英玻璃相当的光学,表面和组成特性的物体。他们的研究发表在《自然》杂志上由Frederik Kotz和Bastian Rapp领导,后者于2018年创立了Glassomer GmbH,以生产和供应Glassomers,这是一种新型材料,可用于任何现成的SLA3D打印机以及“液体玻璃”。方法来处理类似聚合物的3D打印熔融石英玻璃。


不久,该公司凭借其3D打印玻璃的创新赢得了Formnext 2019启动挑战赛等众多奖项。这种液体玻璃材料是一种包含无定形二氧化硅材料的纳米复合材料,可用于3D打印几乎任何种类的玻璃物体(其性质与商用熔融石英玻璃完全相同),其特征分辨率为数十微米,表面粗糙度在几微米之内纳米。

Glassomer首席科学官Kotz解释了这些进展的相关性:

通常情况下,这些都是使用聚合物完成的,但是聚合物缺乏透明度和耐高纯玻璃所提供的耐极端温度和化学药品的能力。高不透明度对于光学数据处理以及对于高功率激光器也很重要,后者也需要耐热材料。同时,各种工业和科学应用都需要能够应对危险化学品的材料。人们一直想在这些应用中使用玻璃,但并非总是可能的,因为不可能以这些高分辨率进行成形。纯玻璃(二氧化硅)在如此高的温度下熔化,以至于很难为其形成坚固的模具,而低纯度玻璃缺乏所需的性能。这些工业用途还需要比其他玻璃成型方法更小的更复杂的结构。”

该过程由两个阶段组成,其中首先对复合材料进行3D打印,然后分别在600°C和1300°C下加热和烧结,以留下完全透明,均匀,无孔的玻璃物体。

与Nanoscribe和Glassomer合作,OptoGlass3D项目将开发用于2PP技术的特定材料,然后将其商业化。如项目目标所述:

“在该项目期间,财团将开发LiquidGlass配方,该配方可通过Nanoscribe的2PP工艺以及所需的工艺条件,参数和(可能的)仪器适应性来构造。基于LiquidGlass工艺配方,将进行修改,以允许生成具有可调光学特性(例如折射率)的光学玻璃,这些光学玻璃将在1.46到1.50的范围内可调。该技术能力的验证将通过制造演示样品来展示,这些演示样品针对可调折射和高分辨率衍射光学器件的玻璃组件的潜力。”

玻璃3D打印的早期方法探索了在烧结系统中使用玻璃粉末的方法。这种情况不断发展,2015年,以色列的Micron3DP宣布了其用于玻璃的基于高温挤出的3D打印系统。然而,由于玻璃结构的孔隙率和均匀性问题,这些受到限制。由于当时缺乏足够的市场,该公司停止了该产品的生产。

此后,麻省理工学院的研究人员在玻璃3D打印方面取得了进一步的进展,他们开发了基于挤压的熔融玻璃打印机:G3DP和改进的G3DP2(用于工业生产)。由于此3D打印玻璃的分辨率有限,因此不适用于需要高分辨率和精确微结构的高科技应用。但这确实允许制造复杂的定制零件,这些零件只能使用3D打印来制造,并且可以应用于美学设计和建筑中,这些零件在2017年米兰设计周上展出。

3D打印机

2017年,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)开发了一种直接墨水书写方法,可以在室温下印刷玻璃,从而可以实现具有更高光学均匀性的高分辨率零件。由此,可以调整玻璃的性质和组成,例如允许在单个平面光学器件中印刷折射率不同的玻璃。2019年,加拿大拉瓦尔大学(Universite Laval)的研究人员在光学材料快讯(Optical Materials Express)中发表的研究证明了基于长丝的3D打印硫属化物玻璃方法具有复杂的几何形状,在国防和安全,生物医学,电信等领域的红外传感器和成像应用中具有广阔的应用范围。诸如OptoGlass3D之类的此类进步为3D打印玻璃开辟了一系列新颖的应用和可能性,尤其是在下一代自由形式的光学器件,传感器,成像和微流体设备中。

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