Forskare har utvecklat ett sätt att använda 3D-utskrift för att skapa en förform som kan dras in i optiska kiselglasfibrer, som utgör ryggraden i det globala telekommunikationsnätet. Denna nya tillverkningsmetod kunde inte bara förenkla produktionen av dessa fibrer utan också möjliggöra konstruktioner och applikationer som tidigare inte var möjliga.

"Att tillverka optisk kiselfiber involverar den arbetsintensiva processen att snurra rör på en svarv, vilket kräver att fiberns kärna eller kärnor är exakt centrerad, " förklarade John Canning som ledde forskargruppen från University of Technology i Sydney. "Med additiv tillverkning, det finns inget behov av att fibergeometrin centreras. Detta tar bort en av de största begränsningarna i fiberdesign och minskar kostnaderna för fibertillverkning avsevärt."

I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik bokstäver , Cannings grupp i samarbete med Gang-Ding Pengs forskargrupp vid University of New South Wales i Sydney rapporterar om de första kiselglasfibrerna som dras från 3-D-tryckta preforms.

"Additiv tillverkningsmetoder som 3-D-utskrift är väl lämpade för att förändra hela synsättet på fiberdesign och syfte, " sade Canning. "Detta kunde, till exempel, bredda tillämpningarna av fiberoptiska sensorer, som vida överträffar elektroniska motsvarigheter när det gäller livslängd, kalibrering och underhåll men har inte använts i stor utsträckning på grund av deras dyra tillverkning."

Översätta polymer 3-D-utskrift till glas

Den nya bedriften bygger på tidigare arbete där forskarna använde ett polymermaterial för att demonstrera den första fibern som dragits från en 3D-tryckt förform. Att tillämpa detta tillvägagångssätt på kiseldioxid har visat sig vara utmanande på grund av enorma materialutmaningar, inklusive de höga temperaturerna – mer än 1900 grader Celsius – som behövs för 3D-printglas.

"Tack vare en ny kombination av material och nanopartikelintegration, vi har visat att det är möjligt att 3-D-printa en kiseldioxidförform, ", sade Canning. "Vi förväntar oss att detta framsteg kommer att ge en uppsjö av aktivitet, inklusive andra metoder för additiv tillverkning, för att påskynda detta fält."

I det nya verket, forskarna använde en kommersiellt tillgänglig 3D-skrivare med direktljusprojektion. Denna typ av additiv tillverkning är extremt exakt och används vanligtvis för att skapa polymerobjekt genom att använda en digital ljusprojektor för att polymerisera fotoreaktiva monomerer. För att skapa ett kiseldioxidobjekt, forskarna lade till kiseldioxidnanopartiklar i monomeren i mängder av 50 viktprocent eller mer. De designade ett 3D-tryckt cylindriskt föremål som innehöll ett hål för en kärna. De infogade sedan en liknande blandning av polymer och nanopartiklar i hålet, denna gång tillsätter man germanosilikat till kiseldioxidnanopartiklarna för att skapa ett högre brytningsindex. På det här sättet, integrationen av en rad dopämnen blir möjlig.

Nästa, forskarna använde ett unikt uppvärmningssteg som kallas avbindning för att ta bort polymeren och lämna kvar bara kiseldioxidnanopartiklarna, som hålls samman av intermolekylära krafter. Till sist, genom att höja temperaturen ytterligare smälte nanopartiklarna till en solid struktur som kunde sättas in i ett dragtorn där det värms upp och dras för att skapa den optiska fibern.

Forskarna använde sin nya teknik för att tillverka en preform som motsvarar en standard germanosilikatfiber som kan användas för att skapa multi- eller single-mode fibrer, beroende på ritningsförhållanden. Även om de observerade höga ljusförluster i de initialt tillverkade optiska fibrerna, de har sedan dess identifierat orsakerna till dessa förluster och arbetar för att åtgärda dem.

"Den nya tekniken fungerade förvånansvärt bra och kan appliceras på en rad glasmaterialbearbetning för att förbättra andra typer av optiska komponenter, " sa Canning. "Med ytterligare förbättringar för att begränsa ljusförlusterna, detta nya tillvägagångssätt kan potentiellt ersätta den konventionella svarvbaserade metoden för att tillverka optiska kiselfibrer. Detta skulle inte bara minska tillverknings- och materialkostnaderna utan också lägre arbetskostnader eftersom utbildning och risker minskar."

Forskarna är intresserade av att arbeta med ett traditionellt kommersiellt fibertillverkningsföretag för att förbättra och kommersialisera tekniken. De planerar också att utforska andra metoder för att påskynda 3D-utskrift genom att förfina den för olika applikationer.