科学者は、光でガラスの微細構造を作成するための革新的な3D印刷技術を開発しています

ジャーナルScienceに掲載された新しい研究によると、カリフォルニア大学バークレー校の研究者は、ガラスの微細構造を3Dプリントするための新しい方法を開発しました。 この方法はより高速で、より高い光学品質、設計の柔軟性、および強度を備えたオブジェクトを生成します。

研究者たちは、ドイツのフライブルク大学の科学者と協力して、3年前に開発した3D印刷プロセス、Computational Axial Lithography（CAL）の機能を拡張して、より細かいフィーチャを印刷し、ガラスで印刷しました。 彼らは新しいシステムを「マイクロCAL」と呼んだ。

ガラスは、スマートフォンや内視鏡で使用される小型で高品質のカメラのレンズや、少量の液体を分析または処理するために使用されるマイクロ流体デバイスなど、複雑な顕微鏡オブジェクトを作成するために選択される材料であることがよくあります。 しかしながら、現在の製造方法は、遅く、高価であり、そして業界の増大する要求を満たす能力が制限されている可能性がある。

CALプロセスは、材料の薄層からオブジェクトを構築する今日の産業用3D印刷製造プロセスとは根本的に異なります。 この手法は時間がかかる可能性があり、粗い表面テクスチャになる可能性があります。 ただし、CAL3Dはオブジェクト全体を同時に印刷します。 研究者たちは、レーザーを使用して光のパターンを回転する感光性材料に投影し、3次元の光線量を蓄積し、それを目的の形状に固化しました。 CALプロセスのレイヤーフリーの性質により、滑らかな表面と複雑な形状が可能になります。

この研究はCALの限界を押し広げ、ガラス構造にマイクロスケールの特徴を印刷する能力を実証しています。 カリフォルニア大学バークレー校の主任研究員で機械工学の教授であるヘイデン・テイラーは、次のように述べています。 。

「現在、micro-CALを使用すると、約2,000万分の1メートル、つまり人間の髪の毛の幅の約1/4の小さな特徴を持つポリマーでオブジェクトを印刷できます。そして、初めてこのアプローチを実証しました。ポリマーでのみ印刷できますが、ガラスで印刷することもできます。機能は約5,000万分の1メートルです。」

ガラスを印刷するために、テイラーと彼の研究チームはフライブルク大学の科学者と協力しました。フライブルク大学は、感光性の接着液で囲まれたガラスのナノ粒子を含む特殊な樹脂材料を開発しました。 プリンターからのデジタル光の投影によりバインダーが固化し、次に研究者は印刷されたオブジェクトを加熱してバインダーを取り除き、粒子を融合させて純粋なガラスの固体オブジェクトにします。

「ここで重要なのは、バインダーの屈折率がガラスの屈折率とほぼ同じであるため、材料を通過する際の光の散乱がほとんどないことです」とテイラー氏は述べています。 CAL印刷プロセスとこのGlassomer（GmbH）で開発された素材は、お互いの完璧な組み合わせです。」

研究チームはまた、テストを実施し、CAL印刷されたガラスオブジェクトは、従来のレイヤーベースの印刷プロセスを使用して作成されたオブジェクトよりも安定した強度を持っていることを発見しました。 「ガラスの物体に欠陥や亀裂が多く含まれている場合、または表面が粗い場合、ガラスの物体はより簡単に粉々になる傾向があります」とテイラー氏は述べています。 したがって、他のレイヤーベースの3D印刷プロセスと比較して、CALはより滑らかな表面を持つオブジェクトを作成します。 機能は大きな潜在的な利点です。」

CALの3D印刷方法は、顕微鏡ガラスオブジェクトのメーカーに、形状、サイズ、光学的および機械的特性に対する顧客の厳しい要件を満たすための新しい、より効率的な方法を提供します。 具体的には、コンパクトカメラ、バーチャルリアリティヘッドセット、高度な顕微鏡、その他の科学機器の重要な部分である微細な光学部品のメーカーが含まれます。 「これらの部品をより高速で幾何学的な自由度で製造できることは、新しいデバイス機能や低コストにつながる可能性があります」とテイラー氏は述べています。