Lawrence Livermore National Laboratory forskare och akademiska medarbetare har visat syntesen av transparent glas genom 3-D-utskrift, en utveckling som i slutändan kan leda till att designen och strukturen för lasrar och andra enheter som innehåller optik förändras.

Ett team av LLNL-forskare, tillsammans med forskare från University of Minnesota och Oklahoma State University, rapportera skapandet av 3-D-tryckta transparenta glaskomponenter i det senaste numret av Avancerade material , publicerad online den 28 april. I tidningen, forskarna beskriver en 3D-utskriftsteknik som möjliggör glasstrukturer och sammansättningsgradienter som tidigare var omöjliga genom konventionella tillverkningsprocesser.

"Laboratoriet letar alltid efter olika sätt att skapa nya material för optiska applikationer, " sa LLNL kemiingenjör och projektledare Rebecca Dylla-Spears. "Vi kommer inte att ersätta de optiska materialen som tillverkas på traditionellt sätt, men vi försöker förmedla ny funktionalitet med hjälp av additiv tillverkning. Detta är det första steget för att kunna skriva ut kompositionsgraderad glasoptik."

Andra forskningsinstitutioner har visat att 3D-utskrift av glas är möjligt, tidigare demonstrationer har emellertid involverat extrudering av smält glasfilament genom ett uppvärmt skrivhuvud eller användning av laser för att selektivt smälta och smälta glaspulver. Med dessa metoder, pulvren och filamenten smälter inte helt samman under de korta tider de värms upp under tryckprocessen, forskare sa, vilket leder till porösa eller olikformiga strukturer som inte skulle vara lämpliga för optiska tillämpningar.

Lawrence Livermores tillvägagångssätt förlitar sig inte på att trycka smält glas; i stället skapar forskarna skräddarsydda bläck som är bildade av koncentrerade suspensioner av glaspartiklar med högt kontrollerade flödesegenskaper så att de kan skrivas ut i rumstemperatur. De tryckta komponenterna genomgår sedan en noggrant designad värmebehandling för att förtäta delarna och ta bort tecken på tryckprocessen. Till sist, de bearbetade delarna får en optisk kvalitetspolering. Forskare sa att tillvägagångssättet förbättrar oddsen för att uppnå optisk enhetlighet.

"För utskrift av högkvalitativ optik, du ska inte kunna se några porer och linjer, de måste vara transparenta, " sa LLNL materialingenjör Du Nguyen, som gick igenom många materialblandningar innan de hittade rätt kombination. "När vi fick en allmän formulering att fungera, vi kunde justera det så att materialet kunde smälta samman under utskriftsprocessen. De flesta andra grupper som har tryckt glas smälter glaset först och kyler ner det senare, som har potential för kvarvarande spänningar och sprickbildning. Eftersom vi skriver ut i rumstemperatur, det är ett mindre problem."

LLNL:s metod använder en "slurry" av kiseldioxidpartiklar som extruderas genom en direktbläckskrivprocess. Den tryckta produkten blir ogenomskinlig, men efter torkning och värmebehandling blir transparent. I motsats till 3D-utskrift med smält glas, forskarna konstaterar, metoden kräver inte höga temperaturer under utskrift, vilket möjliggör högre upplösningsfunktioner.

"Detta var ett stort första steg eftersom det inte har förekommit någon demonstration av täta och transparenta 3-D-tryckta glasstrukturer med denna utskriftsmetod [extrudering], " Sa Dylla-Spears. "Vi är på väg mot 3-D-tryckt glasoptik."

Forskningen kan tillåta forskare att skriva ut glas som innehåller olika brytningsindex i en enda platt optik, i motsats till de speciella former som krävs för glasögon med konstant sammansättning för att uppnå liknande linsegenskaper. På grund av förmågan att programmera kompositionen, Nguyen sa, tryckta komponenter skulle vara enklare och billigare att färdigställa.

"Att polera komplexa eller asfäriska linser är ganska arbetskrävande och kräver mycket skicklighet, men att polera en plan yta är mycket lättare, ", sa Nguyen. "Genom att kontrollera brytningsindexet i de tryckta delarna, du ändrar ljusets böjning, vilket möjliggör en lins som kan poleras platt."

Istället för att ersätta traditionell optik, forskare sa att de vill utforska nya applikationer med sammansättningsgradienter som inte finns på marknaden idag. Att designa för nya optiska komponenter istället för att använda off-the-shelf optik kan minska storleken, vikt eller kostnad för optiksystem.

"Optisk tillverkningsforskning och utveckling går mot friformsoptik, som är optik som kan göras praktiskt taget till vilken komplex form som helst, " sa Tayyab Suratwala, LLNL:s programchef för optik och materialvetenskap och teknik. "Att expandera detta till 3-D-printad optik med kompositionsvariation kan avsevärt öka kapaciteten hos denna nya gräns."

Medan forskningen kan utöka designutrymmet för optiska ingenjörer, det kan också ha tillämpningar utanför optiken, inklusive mikroflödesanordningar av glas som har komplexa och tidigare omöjliga layouter, sa forskare. Glas är ett uppskattat material för mikrofluidik på grund av dess optiska transparens, kemisk resistans, mekaniska egenskaper och förmåga att skräddarsy dess ytkemi och funktionalitet. Dock, glas är svårt att bearbeta och etsa för att göra komplexa mikrofluidiska anordningsgeometrier möjliga. 3D-utskrift av glas kan förändra det, och teamet demonstrerade 3D-utskrift av ett enkelt mikrofluidiskt nätverk.

"Att uppnå kompositions- och strukturell kontroll för funktionella material, i detta fall för optiska komponenter och mikrofluidik, lovar att enormt öppna upp applikationsutrymmet för 3-D-utskriftsteknologier, sa Eric Duoss, en materialingenjör som arbetar med projektet. "Det är inte lätt att göra, Men vårt tvärvetenskapliga team kunde identifiera och övervinna utmaningar inom ett brett spektrum av områden inklusive kemi, material, teknik, fysik och optik, att skapa en robust och repeterbar metod för att trycka glas."

Nu när de har visat att det är möjligt att skriva ut genomskinligt glas, forskare riktar sin uppmärksamhet mot att tillverka faktiska högkvalitativa optik- och gradientindexlinser genom att variera glasets sammansättning. Nästa hinder är Gradient Refractive Index (GRIN) optik, vilket kommer att kräva mer processförståelse och kontroll.