La nouvelle technologie imprime en 3D des microstructures de verre avec des rayons de lumière

La nouvelle technologie imprime en 3D des microstructures de verre avec des rayons de lumière

Treillis de verre imprimés en 3D, affichés devant un centime américain pour l’échelle. Crédit : Joseph Toombs

Selon une nouvelle étude publiée dans le numéro du 15 avril de Science.

En collaboration avec des scientifiques de l’Université Albert Ludwig de Fribourg, en Allemagne, les chercheurs ont étendu les capacités d’un processus d’impression 3D qu’ils ont développé il y a trois ans – la lithographie axiale calculée (CAL) – pour imprimer des caractéristiques beaucoup plus fines et imprimer dans du verre. Ils ont surnommé ce nouveau système “micro-CAL”.

Le verre est le matériau de prédilection pour la création d’objets microscopiques complexes, notamment les lentilles des caméras compactes de haute qualité utilisées dans les smartphones et les endoscopes, ainsi que les dispositifs microfluidiques utilisés pour analyser ou traiter de minuscules quantités de liquide. Mais les méthodes de fabrication actuelles peuvent être lentes, coûteuses et limitées dans leur capacité à répondre aux demandes croissantes de l’industrie.

Le processus CAL est fondamentalement différent des processus de fabrication industriels d’impression 3D d’aujourd’hui, qui construisent des objets à partir de fines couches de matériau. Cette technique peut prendre beaucoup de temps et entraîner une texture de surface rugueuse. CAL, cependant, imprime en 3D l’objet entier simultanément. Les chercheurs utilisent un laser pour projeter des motifs de lumière dans un volume rotatif de matériau sensible à la lumière, créant une dose de lumière 3D qui se solidifie ensuite dans la forme souhaitée. La nature sans couche du processus CAL permet des surfaces lisses et des géométries complexes.







Un modèle de microtubules trifurqués imprimé en 3D. Crédit : Adam Lau/Berkeley Engineering

Cette étude repousse les limites de CAL pour démontrer sa capacité à imprimer des caractéristiques à l’échelle microscopique dans des structures en verre. “Lorsque nous avons publié cette méthode pour la première fois en 2019, CAL pouvait imprimer des objets dans des polymères avec des caractéristiques allant jusqu’à environ un tiers de millimètre”, a déclaré Hayden Taylor, chercheur principal et professeur de génie mécanique à l’UC Berkeley. “Maintenant, avec micro-CAL, nous pouvons imprimer des objets en polymères avec des caractéristiques allant jusqu’à environ 20 millionièmes de mètre, soit environ un quart de la largeur d’un cheveu humain. Et pour la première fois, nous avons montré comment cette méthode peut imprimer non seulement dans les polymères mais aussi dans le verre, avec des caractéristiques allant jusqu’à environ 50 millionièmes de mètre.”

Pour imprimer le verre, Taylor et son équipe de recherche ont collaboré avec des scientifiques de l’Université Albert Ludwig de Fribourg, qui ont développé un matériau de résine spécial contenant des nanoparticules de verre entourées d’un liquide liant sensible à la lumière. Les projections lumineuses numériques de l’imprimante solidifient le liant, puis les chercheurs chauffent l’objet imprimé pour éliminer le liant et fusionnent les particules en un objet solide de verre pur.

La nouvelle technologie imprime en 3D des microstructures de verre avec des rayons de lumière

L’étudiant diplômé Joseph Toombs berce une structure en treillis imprimée en 3D avec une pince à épiler dans le laboratoire. Crédit : Joseph Toombs

“Le facteur clé ici est que le liant a un indice de réfraction pratiquement identique à celui du verre, de sorte que la lumière traverse le matériau pratiquement sans diffusion”, a déclaré Taylor. “Le processus d’impression CAL et ce Glassomer [GmbH]-les matériaux développés sont parfaitement assortis les uns aux autres.”

L’équipe de recherche, qui comprenait l’auteur principal Joseph Toombs, titulaire d’un doctorat. étudiant du laboratoire de Taylor, a également effectué des tests et découvert que les objets en verre imprimés par CAL avaient une résistance plus constante que ceux fabriqués à l’aide d’un processus d’impression conventionnel à base de couches. “Les objets en verre ont tendance à se casser plus facilement lorsqu’ils contiennent plus de défauts ou de fissures, ou ont une surface rugueuse”, a déclaré Taylor. “La capacité de CAL à créer des objets avec des surfaces plus lisses que d’autres processus d’impression 3D basés sur des couches est donc un gros avantage potentiel.”

La nouvelle technologie imprime en 3D des microstructures de verre avec des rayons de lumière

Micrographie électronique à balayage d’un réseau de microlentilles hexagonales imprimées en 3D. Crédit : Joseph Toombs

La méthode d’impression 3D CAL offre aux fabricants d’objets en verre microscopiques un moyen nouveau et plus efficace de répondre aux exigences exigeantes des clients en matière de géométrie, de taille et de propriétés optiques et mécaniques. Plus précisément, cela inclut les fabricants de composants optiques microscopiques, qui sont un élément clé des caméras compactes, des casques de réalité virtuelle, des microscopes avancés et d’autres instruments scientifiques. “Être en mesure de fabriquer ces composants plus rapidement et avec une plus grande liberté géométrique pourrait potentiellement conduire à de nouvelles fonctions d’appareil ou à des produits à moindre coût”, a déclaré Taylor.


Des chercheurs développent un processus laser pour imprimer en 3D des objets en verre détaillés


Plus d’information:
Joseph T. Toombs et al, Fabrication additive volumétrique de verre de silice avec lithographie axiale calculée à l’échelle microscopique, Science (2022). DOI : 10.1126/science.abm6459

Fourni par Université de Californie – Berkeley

Citation: Une nouvelle technologie imprime en 3D des microstructures de verre avec des rayons de lumière (15 avril 2022) récupéré le 15 avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-technology-3d-glass-microstructures-rays.html

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