Công nghệ in 3D tiên tiến tạo ra các cấu trúc vi mô bằng thủy tinh với các tia sáng

Các nhà nghiên cứu tại Đại học UC Berkeley đã phát triển một phương pháp mới để tạo ra các vi cấu trúc thủy tinh in 3D, bao gồm các mạng lưới thủy tinh in 3D này, được hiển thị trước một đồng xu của Mỹ cho tỷ lệ. Nguồn: Ảnh của Joseph Toombs / UC Berkeley

Kỹ thuật sản xuất cho phép sản xuất nhanh hơn, chất lượng quang học cao hơn và tính linh hoạt trong thiết kế.

Theo một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science .

Mô hình vi ống gấp ba, được in 3D. Tín dụng: Video của Adam Lau / Berkeley Engineering

Làm việc với các nhà khoa học từ Đại học Albert Ludwig của Freiburg ở Đức, các nhà nghiên cứu đã mở rộng khả năng của quy trình in 3D mà họ đã phát triển cách đây 3 năm – in thạch bản trục điện toán (CAL) – để in các tính năng tốt hơn nhiều và in trong thủy tinh. Họ đặt tên cho hệ thống mới này là “micro-CAL”.

Kính thường là vật liệu ưa thích để tạo ra các vật thể cực nhỏ phức tạp, bao gồm thấu kính trong các máy ảnh nhỏ gọn, chất lượng cao được sử dụng trong điện thoại thông minh và ống nội soi, cũng như các thiết bị vi lỏng được sử dụng để phân tích hoặc xử lý một lượng nhỏ chất lỏng. Tuy nhiên, các phương pháp sản xuất hiện nay có thể chậm, tốn kém và hạn chế về khả năng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành.

Quy trình CAL về cơ bản khác với quy trình sản xuất in 3D công nghiệp ngày nay, quy trình tạo ra các vật thể từ các lớp vật liệu mỏng. Kỹ thuật này có thể tốn nhiều thời gian và dẫn đến kết cấu bề mặt thô ráp. Tuy nhiên, CAL in 3D toàn bộ đối tượng đồng thời. Các nhà nghiên cứu sử dụng tia laser để chiếu các mẫu ánh sáng vào một khối vật liệu nhạy sáng đang quay, tạo ra liều lượng ánh sáng 3D sau đó đông đặc lại theo hình dạng mong muốn. Bản chất ít lớp của quy trình CAL cho phép bề mặt nhẵn và có dạng hình học phức tạp.

Nghiên cứu này đã vượt qua ranh giới của CAL để chứng minh khả năng in các đặc điểm ở kích thước siêu nhỏ trong cấu trúc thủy tinh. “Khi chúng tôi công bố phương pháp này lần đầu tiên vào năm 2019, CAL có thể in các vật thể thành polyme với các đặc điểm có kích thước nhỏ hơn một phần ba milimet,” Hayden Taylor, điều tra viên chính và là giáo sư kỹ thuật cơ khí tại UC Berkeley cho biết.

“Giờ đây, với micro-CAL, chúng tôi có thể in các vật thể bằng polyme với các đặc điểm nhỏ hơn khoảng 20 phần triệu mét, hay khoảng một phần tư bề rộng sợi tóc của con người. Và lần đầu tiên, chúng tôi đã chỉ ra cách mà phương pháp này có thể in không chỉ thành polyme mà còn cả thủy tinh, với các tính năng giảm xuống khoảng 50 phần triệu mét ”.

Các nhà nghiên cứu tại UC Berkeley đã phát triển một phương pháp mới để in 3D các cấu trúc vi thủy tinh phức tạp, bao gồm cả cấu trúc mạng tứ diện này. Nguồn: Ảnh của Adam Lau / UC Berkeley

Để in kính, Taylor và nhóm nghiên cứu của ông đã hợp tác với các nhà khoa học từ Đại học Albert Ludwig của Freiburg, những người đã phát triển một loại vật liệu nhựa đặc biệt có chứa các hạt thủy tinh nano được bao quanh bởi một chất lỏng kết dính nhạy sáng. Các phép chiếu ánh sáng kỹ thuật số từ máy in sẽ làm đông đặc chất kết dính, sau đó các nhà nghiên cứu đốt nóng vật thể in để loại bỏ chất kết dính và hợp nhất các hạt lại với nhau thành một vật thể rắn bằng thủy tinh nguyên chất.

Taylor cho biết: “Yếu tố quan trọng ở đây là chất kết dính có chiết suất gần như giống với chiết suất của thủy tinh, do đó ánh sáng đi qua vật liệu mà hầu như không bị tán xạ. “Quy trình in CAL và vật liệu được phát triển bằng Glassomer [GmbH] này là một kết hợp hoàn hảo cho nhau.”

Ảnh hiển vi điện tử quét của mạng tinh thể lập phương có kích thước thành viên mạng tinh thể 20 micromet. Nguồn: Ảnh của Joseph Toombs / UC Berkeley

Nhóm nghiên cứu, bao gồm tác giả chính là Tiến sĩ Joseph Toombs. sinh viên trong phòng thí nghiệm của Taylor, cũng đã chạy thử nghiệm và phát hiện ra rằng các vật thể thủy tinh in CAL có độ bền phù hợp hơn so với những vật thể được làm bằng quy trình in dựa trên lớp thông thường. Taylor cho biết: “Các đồ vật bằng thủy tinh có xu hướng dễ vỡ hơn khi chúng có nhiều lỗ hổng hoặc vết nứt, hoặc có bề mặt thô ráp. “Do đó, khả năng tạo ra các vật thể có bề mặt mịn hơn so với các quy trình in 3D dựa trên lớp khác của CAL là một lợi thế tiềm năng lớn.”

Sinh viên tốt nghiệp của UC Berkeley, Joseph Toombs, sử dụng nhíp để gắp cấu trúc mạng thủy tinh được tạo ra bằng kỹ thuật in 3D mới sáng tạo. Nguồn: Ảnh của Adam Lau / UC Berkeley

Phương pháp in 3D CAL cung cấp cho các nhà sản xuất vật kính cực nhỏ một phương thức mới và hiệu quả hơn để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của khách hàng về hình học, kích thước cũng như các tính chất quang học và cơ học. Cụ thể, điều này bao gồm các nhà sản xuất linh kiện quang học hiển vi, là bộ phận quan trọng của máy ảnh compact, tai nghe thực tế ảo, kính hiển vi tiên tiến và các dụng cụ khoa học khác. Taylor cho biết: “Việc có thể tạo ra các thành phần này nhanh hơn và tự do hơn về hình học có thể dẫn đến các chức năng của thiết bị mới hoặc các sản phẩm chi phí thấp hơn.

Tham khảo: “Sản xuất phụ gia thể tích của thủy tinh silica với kỹ thuật in thạch bản trục vi tính tỷ lệ nhỏ” của Joseph T. Toombs, Manuel Luitz, Caitlyn C. Cook, Sophie Jenne, Chi Chung Li, Bastian E. Rapp, Frederik Kotz-Helmer và Hayden K. Taylor , Ngày 14 tháng 4 năm 2022, Khoa học .
DOI: 10.1126 / science.abm6459

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu, Quỹ Carl Zeiss, Quỹ Nghiên cứu Đức và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Theo Scitechdaily