LLNL wykorzystuje technologię druku 3D szkła do produkcji okularów o jakości optycznej na równi z produktami komercyjnymi

W ubiegłym roku zespół naukowców z LLNL opracował metodę drukowania szkła 3D za pomocą bezpośredniego pisania atramentowego i opublikował artykuł na temat ich pracy. Metoda organizacji różniła się od druku 3D FFF, ponieważ szkło można było drukować w 3D w temperaturze pokojowej z atramentu sformułowanego ze skoncentrowanych zawiesin cząstek krzemionki.

LLNL opiera się na tych innowacyjnych badaniach, a naukowcy z powodzeniem Trójwymiarowe okulary optyczne z nadrukiem, które po raz pierwszy są na tym samym poziomie, co obecnie dostępne komercyjne produkty szklane.

"Produkcja dodatków daje nam nowy stopień swobody łączenia materiałów optycznych w sposób, w jaki moglibyśmy nie robić wcześniej. Otwiera nową przestrzeń projektową, która nie istniała w przeszłości, umożliwiając projektowanie zarówno kształtu optycznego, jak i właściwości optycznych w materiale "- wyjaśnia inżynier chemii LLNL, Rebecca Dylla-Spears, główny badacz projektu.

Może być trudno upewnić się, że szkło 3D wydrukowane z fazy stopionej da pożądaną wydajność optyczną, ponieważ współczynnik załamania materiału jest tak czuły na swoją historię termiczną. Ale naukowcy wyjaśnili, że przez odkładanie ich materiału - zawiesiny cząstek krzemionki - w postaci pasty, a następnie ogrzewanie całego druku, powstaje szkło, które pozwala uzyskać jednorodny współczynnik załamania. To całkowicie wyeliminuje wszelkie zniekształcenia optyczne, które mogłyby pogorszyć jego funkcję.

"Elementy drukowane ze stopionego szkła często wykazują teksturę z procesu drukowania 3D, a nawet gdybyś miał polerować powierzchnię, nadal widać dowody procesu drukowania w materiale masowym. Takie podejście pozwala nam uzyskać jednorodność indeksu niezbędną do optyki "- powiedział Dylla-Spears. "Teraz możemy wziąć te komponenty i zrobić coś interesującego."

Zespół ds. Badań szkła LLNL był wspierany przez laboratoryjnie ukierunkowany projekt badawczo-rozwojowy, a ostatnio opublikowano nowy dokument na temat ich pracy, zatytułowany "3D Drukowane okulary z krzemionki i krzemionki z materiałów Sol-Gel, "w zaawansowanych technologiach materiałowych.

W badaniu inżynierowie i naukowcy LLNL opisali, w jaki sposób udało im się z powodzeniem drukować w 3D małe części testowe, przy użyciu specjalnego atramentu, który opracowali, z właściwościami, które, jak to określa organizacja, "w zakresie komercyjnych okularów optycznych."

Streszczenie brzmi: "Metoda otrzymywania krzemionki o jakości optycznejoraz doniesienia o szkłach krzemionkowo-tytanowych za pomocą trójwymiarowego drukowania (3D). Kluczem do sukcesu jest połączenie koloidalnej krzemionki zol-żel i koloidalnych surowców krzemionkowych, technologii bezpośredniego znakowania atramentem (DIW) i konwencjonalnych metod obróbki termicznej szkła. Zadrukowywalne tusze na bazie krzemionki i krzemionki i dwutlenku tytanu wytwarza się bezpośrednio z prekursorów molekularnych, stosując prostą metodę z jedną doniczką, która jest zoptymalizowana w celu uzyskania lepkich, rozrzedzających ścinanie zawiesin koloidalnych o stonowanej reologii idealnej dla DIW. Po wydrukowaniu części są suszone i spiekane w zoptymalizowanych warunkach termicznych w celu zapewnienia całkowitego usunięcia organicznego i jednorodnego zagęszczania bez krystalizacji. Charakterystyka szkieł z czystej krzemionki i krzemionki z dwutlenkiem tytanu, wydrukowanych w 3D, wskazuje, że są one odpowiednikiem komercyjnych szkieł ze szkła kwarcowego i krzemionki i dwutlenku tytanu. Dokładniej, wykazują one porównywalny skład chemiczny, strukturę sieci SiO2, współczynnik załamania, dyspersję, transmisję optyczną i współczynnik rozszerzalności cieplnej. Wydrukowane 3D szkiełka krzemionkowe i krzemionkowo-dwutlenkowe wykazują również porównywalną polerowaną chropowatość powierzchni i spełniają standardy jednorodności współczynnika załamania światła w zakresie dostępnych w handlu okularów optycznych. Ta metoda pozwala na drukowanie 3D jako realnego narzędzia do tworzenia szkieł optycznych o konfiguracjach kompozycyjnych i geometrycznych, niedostępnych w konwencjonalnych metodach wytwarzania optycznego.

Dylla-Spears wyjaśniła, że ​​niestandardowe atramenty zespołu mają na celu tworzenie krzemionki i szkła krzemionkowo-tytanowe, pozwalają precyzyjnie dostroić mechaniczne, optyczne i termiczne właściwości szkła.

Podczas gdy mała optyka, którą wydrukowali w prostych kształtach, była tylko dowodem koncepcji, Dylla-Spears powiedział że technika zespołu może pewnego dnia zostać zastosowana do każdego rodzaju urządzenia, które używa szkła optycznego, co skutkuje optyką ze zmianami składu i strukturami geometrycznymi, których nie można osiągnąć przy użyciu tradycyjnych metod produkcji. Na przykład, ich wydrukowane gradientowe soczewki gradientowe o współczynniku załamania światła można polerować płasko, aby zastąpić drogie techniki polerowania, które są zwykle stosowane w soczewkach zakrzywionych.

Teraz, gdy naukowcy osiągnęli trójwymiarowe okulary optyczne o jakości optycznej na równi z komercyjnymi produktami szklanymi, złożyli oni patent na tę technikę i już są zainteresowani niektórymi wielkoskalowymi producentami szkła. Jeśli chodzi o kolejne etapy, zaczynają pracować nad kontrolowaniem materiałuwłaściwości w celu uzyskania soczewek gradientowych współczynników załamania, poprzez mieszanie i modelowanie różnych kompozycji materiałowych.

Autorzy badań to były badacz LLNL, Joel F. Destino, obecnie profesor chemii na Creighton University, oraz naukowcy z LLNL, Nikola A. Dudukovic, Michael A. Johnson, Du T. Ngyuen, Timothy D. Yee, Garth C. Egan, April M. Sawvel, William A. Steele, Theodore F. Baumann, Eric B. Duoss, Tayyab Suratwala i Dylla-Spears.