دانشمندان تکنیک چاپ سه بعدی ابتکاری را برای ایجاد ریزساختارهای شیشه ای با نور ایجاد کردند.

بر اساس مطالعه جدیدی که در مجله Science منتشر شده است، محققان دانشگاه کالیفرنیا در برکلی روش جدیدی را برای چاپ سه بعدی میکروساختارهای شیشه ای ایجاد کرده اند. این روش سریعتر است و اجسامی با کیفیت نوری، انعطاف پذیری و استحکام طراحی بالاتر تولید می کند.

محققان با همکاری دانشمندان دانشگاه فرایبورگ در آلمان، قابلیت‌های یک فرآیند چاپ سه‌بعدی را که سه سال پیش توسعه دادند، لیتوگرافی محوری محاسباتی (CAL) را برای چاپ ویژگی‌های ظریف‌تر و چاپ در شیشه گسترش دادند. آنها سیستم جدید را "micro-CAL" نامیدند.

شیشه اغلب ماده انتخابی برای ساخت اجسام میکروسکوپی پیچیده است، از جمله لنزهای دوربین‌های کوچک و باکیفیت که در گوشی‌های هوشمند و آندوسکوپ‌ها استفاده می‌شود، و دستگاه‌های میکروسیالی که برای تجزیه و تحلیل یا پردازش مقادیر بسیار کمی از مایعات استفاده می‌شوند. با این حال، روش‌های تولید فعلی می‌توانند آهسته، پرهزینه و در توانایی آنها برای برآورده کردن تقاضاهای رو به رشد صنعت محدود باشند.

فرآیند CAL اساساً با فرآیند تولید پرینت سه بعدی صنعتی امروزی که اجسام را از لایه‌های نازک مواد می‌سازد متفاوت است. این تکنیک می‌تواند زمان‌بر باشد و می‌تواند منجر به بافت‌های ناهموار شود. با این حال، CAL 3D کل شی را به طور همزمان چاپ می کند. محققان از لیزر برای پرتاب الگوی نور به یک ماده حساس به نور در حال چرخش استفاده کردند و دوز نور سه بعدی را ایجاد کردند که سپس به شکل دلخواه جامد شد. ماهیت بدون لایه فرآیند CAL سطوح صاف و هندسه های پیچیده را امکان پذیر می کند.

این تحقیق مرزهای CAL را فشار می‌دهد و توانایی آن را در چاپ ویژگی‌های ریزمقیاس در ساختارهای شیشه‌ای نشان می‌دهد. 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 اجسام را در پلیمرهایی با ویژگی‌هایی در اندازه یک سوم میلی‌متر چاپ کند. .

اکنون، با micro-CAL، می‌توانیم اشیایی را در پلیمرهایی با ویژگی‌هایی به کوچکی حدود 20 میلیونیم متر یا تقریباً یک چهارم عرض یک موی انسان چاپ کنیم. و برای اولین بار، این رویکرد را نشان داده‌ایم. فقط می توانید در پلیمرها چاپ کنید، اما می توانید در شیشه نیز چاپ کنید، با ویژگی های کمتر از 50 میلیونم متر."

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

تیلور گفت: «عامل کلیدی در اینجا این است که ضریب شکست چسب تقریباً با ضریب شکست شیشه یکسان است، بنابراین پراکندگی کمی نور هنگام عبور از ماده وجود دارد. فرآیند چاپ CAL و این ماده توسعه یافته Glassomer (GmbH) ترکیبی عالی برای یکدیگر هستند."

تیم تحقیقاتی همچنین آزمایشاتی را انجام دادند و دریافتند که اشیاء شیشه‌ای چاپ‌شده با CAL استحکام پایدارتری نسبت به اشیایی که با استفاده از فرآیندهای سنتی چاپ مبتنی بر لایه ساخته می‌شوند، دارند. تیلور می‌گوید: «وقتی اجسام شیشه‌ای دارای عیوب یا ترک‌های بیشتری باشند یا سطح ناهمواری داشته باشند، تمایل دارند راحت‌تر خرد شوند. بنابراین، در مقایسه با سایر فرآیندهای چاپ سه بعدی مبتنی بر لایه، CAL اجسام را با سطوح صاف‌تر می‌سازد. توانایی یک مزیت بالقوه بزرگ است."

روش پرینت سه بعدی CAL به تولیدکنندگان اشیاء شیشه ای میکروسکوپی روشی جدید و کارآمدتر برای برآوردن نیازهای تقاضای مشتریان در زمینه 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. تیلور گفت: «توانایی ساخت این قطعات با سرعت بیشتر و آزادی هندسی این پتانسیل را دارد که به قابلیت‌های دستگاه جدید یا هزینه‌های کمتر منجر شود.»