«Большинство процессов 3D-печати создают объект слой за слоем», – сказал руководитель исследовательской группы Лоран Галле из Института Френеля и Ecole Centrale Marseille во Франции. "Наш новый процесс позволяет избежать ограничений этих процессов за счет использования лазерного луча для преобразования или полимеризации жидкого предшественника в твердое стекло."
В журнале Optics Letters (OSA), Галле и члены исследовательской группы Томас Дуаль и Жан-Клод Андре демонстрируют, как они использовали новую технику для создания детализированных объектов в трехмерном объеме без использования классического послойного подхода. Используя этот подход, они создали множество объектов из кварцевого стекла, таких как миниатюрные модели велосипеда и Эйфелевой башни без каких-либо пор и трещин.
Подход 3D-печати основан на многофотонной полимеризации, которая гарантирует, что полимеризация, процесс, который связывает молекулы жидкого мономера вместе в твердый полимер, происходит только в точной точке фокусировки лазера.
Он позволяет напрямую изготавливать трехмерные детали размером от нескольких микрон до десятков сантиметров с разрешением, которое теоретически ограничивается только оптикой, используемой для формирования лазерного луча.
«Стекло – один из основных материалов, используемых для изготовления оптики», – сказал Галле. «Наша работа представляет собой первый шаг к разработке процесса, который однажды позволит ученым печатать на 3D-принтере необходимые им оптические компоненты."
Поиск подходящего материала
Использование традиционного послойного подхода для создания трехмерных стеклянных объектов имеет несколько ограничений. Скорость процесса печати ограничена временем, необходимым для создания слоев, и может быть сложно создать слои с постоянной толщиной при использовании высоковязких смол. Для изготовления сложных деталей обычно требуются опоры, которые необходимо точно позиционировать, а затем снимать после затвердевания объекта.
Хотя многофотонная полимеризация может использоваться, чтобы избежать послойного подхода, для 3D-печати стеклянных объектов требуется материал, который является прозрачным на длине волны лазера как во время начальной жидкой фазы, так и после полимеризации. Он также должен поглощать лазерный свет на половине длины волны лазера, чтобы инициировать процесс многофотонной полимеризации.
Для этого исследователи использовали смесь, содержащую фотохимический инициатор для поглощения лазерного света, смолу и высокую концентрацию наночастиц диоксида кремния.
В дополнение к хорошей работе с лазером, высокая вязкость этой смеси позволяет формировать 3D-деталь без проблем с деформацией или поддерживает удержание объекта на месте во время 3D-печати.
«Критически важным для этого метода были мощные ультракороткие лазеры, основанные на технологии усиления чирпированных импульсов Стрикленда и Муру, получившие Нобелевскую премию в 2018 году», – сказал Галле. «Только интенсивные и очень короткие импульсы создадут нелинейную фотополимеризацию с высокой точностью и без тепловых эффектов."
Тестирование процесса
Убедившись, что твердый объект может быть создан с использованием смесей наночастиц диоксида кремния, исследователи использовали свой подход 3D-печати для создания объектов сложной формы. Они также применили процесс, который превращает полимеризованные детали в стекло.
«Наш подход потенциально может быть использован для создания почти любого типа трехмерного стеклянного объекта», – сказал Галле. «Например, мы изучаем возможность производства стеклянных деталей, которые можно было бы использовать в роскошных часах или флаконах для духов."
Исследователи работают над тем, чтобы сделать эту технику более практичной и снизить стоимость, экспериментируя, например, с менее дорогими лазерными источниками.
Они также хотят оптимизировать процесс, чтобы улучшить качество поверхности и уменьшить шероховатость.