فناوری جدید چاپ سه بعدی ریزساختارهای شیشه ای را با پرتوهای نور انجام می دهد

15 آوریل 2022 – توسط مارنی الری، دانشگاه کالیفرنیا – برکلی -مشبک های شیشه ای پرینت سه بعدی که در مقابل یک پنی ایالات متحده برای مقیاس نمایش داده می شوند. اعتبار: جوزف تومبز

بر اساس مطالعه جدیدی که در شماره 15 آوریل مجله Science منتشر شده است، محققان دانشگاه کالیفرنیا برکلی راه جدیدی برای چاپ سه بعدی ریزساختارهای شیشه ای ایجاد کرده اند که سریعتر است و اجسامی با کیفیت نوری، انعطاف پذیری طراحی و استحکام بالاتری تولید می کند.

محققان با همکاری دانشمندان دانشگاه آلبرت لودویگ فرایبورگ، آلمان، قابلیت‌های یک فرآیند چاپ سه‌بعدی را که سه سال پیش توسعه دادند – لیتوگرافی محوری کامپیوتری (CAL) – برای چاپ ویژگی‌های بسیار ظریف‌تر و چاپ در شیشه گسترش دادند. آنها این سیستم جدید را “micro-CAL” نامیدند.

شیشه ماده ترجیحی برای ایجاد اجسام میکروسکوپی پیچیده است، از جمله لنزها در دوربین‌  باکیفیت که در گوشی‌های هوشمند و آندوسکوپ‌ها استفاده می‌شوند، و همچنین دستگاه‌های میکروسیال مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل یا پردازش مقادیر بسیار کمی از مایعات. اما روش‌های تولید فعلی می‌توانند آهسته، پرهزینه و در توانایی آنها برای برآوردن تقاضاهای فزاینده صنعت محدود باشند.

فرآیند CAL اساساً با فرآیندهای تولید پرینت سه بعدی صنعتی امروزی که اجسام را از لایه‌های نازک مواد می‌سازند متفاوت است. این تکنیک می تواند زمان بر باشد و منجر به بافت سطحی ناهموار شود. با این حال، CAL کل شی را به طور همزمان چاپ سه بعدی می کند. محققان از لیزر برای پرتاب الگوهای نور به حجم چرخشی از مواد حساس به نور استفاده می‌کنند و دوز نور سه بعدی را ایجاد می‌کنند که سپس به شکل دلخواه جامد می‌شود. ماهیت بدون لایه فرآیند CAL سطوح صاف و هندسه های پیچیده را امکان پذیر می کند.

این مطالعه مرزهای CAL را برای نشان دادن توانایی آن در چاپ ویژگی های ریزمقیاس در ساختارهای شیشه ای فشار می دهد. هیدن تیلور، محقق اصلی و پروفسور مهندسی مکانیک در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، می‌گوید: «زمانی که ما برای اولین بار این روش را در سال 2019 منتشر کردیم، CAL می‌توانست اجسامی را در پلیمرهایی با ویژگی‌هایی به اندازه یک سوم میلی‌متر چاپ کند. اکنون، با micro-CAL، می‌توانیم اشیایی را در پلیمرهایی با ویژگی‌هایی تا حدود 20 میلیونیم متر یا حدود یک چهارم وسعت موی انسان چاپ کنیم. و برای اولین بار نشان داده‌ایم که چگونه این روش نمی‌تواند چاپ کند. فقط در پلیمرها بلکه در شیشه نیز با ویژگی‌های کمتر از 50 میلیونیم متر.”

برای چاپ شیشه، تیلور و تیم تحقیقاتی او با دانشمندانی از دانشگاه آلبرت لودویگ فرایبورگ همکاری کردند که یک ماده رزینی ویژه حاوی نانوذرات شیشه که توسط یک مایع چسبنده حساس به نور احاطه شده است، توسعه دادند. پرتاب نور دیجیتال از چاپگر، بایندر را جامد می کند، سپس محققان جسم چاپ شده را حرارت می دهند تا بایندر را جدا کنند و ذرات را به یک جسم جامد از شیشه خالص تبدیل می کنند.

تیلور می‌گوید: «مهم‌کننده اصلی در اینجا این است که بایندر دارای ضریب شکستی است که تقریباً مشابه شیشه است، به طوری که نور تقریباً بدون پراکندگی از مواد عبور می‌کند. فرآیند چاپ CAL و این ماده ساخته شده توسط Glassomer [GmbH] با یکدیگر مطابقت کامل دارند.”

تیم تحقیقاتی که شامل نویسنده اصلی جوزف تومبز، دکترای. دانش‌آموز در آزمایشگاه تیلور، آزمایش‌هایی را نیز انجام داد و متوجه شد که اشیاء شیشه‌ای چاپ‌شده با CAL از استحکام ثابت‌تری نسبت به آن‌هایی که با استفاده از فرآیند چاپ لایه‌ای مرسوم ساخته شده‌اند، برخوردار هستند. تیلور می‌گوید: «اشیاء شیشه‌ای زمانی که دارای نقص‌ها یا ترک‌های بیشتری هستند یا سطح ناهمواری دارند، راحت‌تر می‌شکنند». بنابراین، توانایی CAL در ساخت اشیاء با سطوح صاف‌تر نسبت به سایر فرآیندهای چاپ سه بعدی مبتنی بر لایه، یک مزیت بالقوه بزرگ است.

روش چاپ سه بعدی CAL به سازندگان اشیاء شیشه ای میکروسکوپی روشی جدید و کارآمدتر برای برآوردن نیازهای مورد نیاز مشتریان برای هندسه، اندازه و خواص نوری و مکانیکی ارائه می دهد. به طور خاص، این شامل سازندگان قطعات نوری میکروسکوپی است که بخش کلیدی دوربین‌های فشرده، هدست‌های واقعیت مجازی، میکروسکوپ‌های پیشرفته و سایر ابزارهای علمی هستند.