Los científicos y colaboradores académicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore han demostrado la síntesis de vidrio transparente a través de la impresión 3-D, un desarrollo que, en última instancia, podría conducir a alterar el diseño y la estructura de los láseres y otros dispositivos que incorporan ópticas.

Un equipo de investigadores del LLNL, junto con científicos de la Universidad de Minnesota y la Universidad Estatal de Oklahoma, informan sobre la creación de componentes de vidrio transparente impresos en 3D en el último número de Materiales avanzados , publicado en línea el 28 de abril. En el periódico, los investigadores describen una técnica de impresión 3-D que permite estructuras de vidrio y gradientes de composición que antes eran imposibles mediante los procesos de fabricación convencionales.

"El laboratorio siempre está buscando diferentes formas de crear nuevos materiales para aplicaciones ópticas, ", dijo la ingeniera química de LLNL y líder del proyecto Rebecca Dylla-Spears." No vamos a reemplazar los materiales ópticos fabricados con medios tradicionales, pero estamos tratando de impartir nuevas funciones mediante la fabricación aditiva. Este es el primer paso para poder imprimir ópticas de vidrio graduadas en composición ".

Otras instituciones de investigación han demostrado que la impresión 3D de vidrio es posible, sin embargo, demostraciones anteriores han implicado la extrusión de filamentos de vidrio fundido a través de un cabezal de impresión calentado o el uso de láseres para fundir y fusionar de forma selectiva polvos de vidrio. Con estos métodos, los polvos y los filamentos no se funden completamente en los cortos tiempos que se calientan durante el proceso de impresión, los investigadores dijeron, lo que conduce a estructuras porosas o no uniformes que no serían adecuadas para aplicaciones ópticas.

El enfoque de Lawrence Livermore no se basa en la impresión de vidrio fundido; en cambio, los investigadores crean tintas personalizadas que se forman a partir de suspensiones concentradas de partículas de vidrio con propiedades de flujo altamente controladas para que puedan imprimirse a temperatura ambiente. Luego, los componentes impresos se someten a un tratamiento térmico cuidadosamente diseñado para densificar las piezas y eliminar la evidencia del proceso de impresión. Finalmente, las piezas procesadas reciben un pulido de calidad óptica. Los investigadores dijeron que el enfoque mejora las probabilidades de lograr uniformidad óptica.

"Para imprimir ópticas de alta calidad, no debería poder ver los poros y las líneas, tienen que ser transparentes, "dijo el ingeniero de materiales de LLNL, Du Nguyen, que pasó por numerosas mezclas de materiales antes de encontrar la combinación correcta. "Una vez que conseguimos que funcione una formulación general, pudimos modificarlo para que el material pudiera fusionarse durante el proceso de impresión. La mayoría de los otros grupos que tienen vidrio impreso derriten el vidrio primero y lo enfrían más tarde. que tiene el potencial de tensión residual y agrietamiento. Porque imprimimos a temperatura ambiente, eso es un problema menor ".

El método de LLNL utiliza una "suspensión" de partículas de sílice extruidas mediante un proceso de escritura con tinta directa. El producto impreso sale opaco, pero después del secado y el tratamiento térmico se vuelve transparente. A diferencia de la impresión 3D con vidrio fundido, los investigadores afirman, el enfoque no requiere altas temperaturas durante la impresión, lo que permite características de mayor resolución.

"Este fue un primer paso importante porque no ha habido demostración de estructuras de vidrio impresas en 3D densas y transparentes utilizando este enfoque de impresión [extrusión], "Dijo Dylla-Spears." Estamos en camino hacia la óptica de vidrio impresa en 3D ".

La investigación podría permitir a los científicos imprimir vidrio que incorpore diferentes índices de refracción en una sola óptica plana, a diferencia de las formas especiales que se requieren para que los vidrios de composición constante logren características de lentes similares. Debido a la capacidad de programar la composición, Nguyen dijo, los componentes impresos serían más fáciles y económicos de terminar.

"Pulir lentes complejas o asféricas es bastante laborioso y requiere mucha habilidad, pero pulir una superficie plana es mucho más fácil, ", Dijo Nguyen." Al controlar el índice de refracción en las piezas impresas, alteras la curvatura de la luz, lo que permite una lente que podría pulirse hasta quedar plana ".

En lugar de reemplazar la óptica tradicional, Los investigadores dijeron que quieren explorar nuevas aplicaciones con gradientes de composición que no existen en el mercado actual. Diseñar componentes ópticos novedosos en lugar de utilizar ópticas estándar podría reducir el tamaño, peso o costo de los sistemas ópticos.

"La investigación y el desarrollo de la fabricación óptica tienen una tendencia hacia la óptica de forma libre, que son ópticas que se pueden fabricar virtualmente con cualquier forma compleja, "dijo Tayyab Suratwala, Director del programa LLNL de Óptica y Ciencia y Tecnología de Materiales. "Expandir esto a ópticas impresas en 3D con variación de composición puede aumentar enormemente las capacidades de esta nueva frontera".

Si bien la investigación podría ampliar el espacio de diseño para ingenieros ópticos, también puede tener aplicaciones fuera de la óptica, incluidos los dispositivos de microfluidos de vidrio que tienen diseños complejos y previamente inalcanzables, dijeron los investigadores. El vidrio es un material apreciado para los microfluidos debido a su transparencia óptica, resistencia química, propiedades mecánicas y capacidad para adaptar la química y funcionalidad de su superficie. Sin embargo, el vidrio es difícil de mecanizar y grabar para hacer factibles geometrías complejas de dispositivos de microfluidos. La impresión 3D de vidrio podría cambiar eso, y el equipo demostró la impresión en 3D de una red de microfluidos simple.

"Lograr el control composicional y estructural de los materiales funcionales, en este caso para componentes ópticos y microfluidos, promete abrir enormemente el espacio de aplicación para las tecnologías de impresión 3-D, "dijo Eric Duoss, un ingeniero de materiales que trabaja en el proyecto. "No es fácil de hacer, sin embargo, nuestro equipo multidisciplinario pudo identificar y superar desafíos en una amplia gama de áreas, incluida la química, materiales Ingenieria, física y óptica, para crear un enfoque robusto y repetible para la impresión de vidrio ".

Ahora que han demostrado que es posible imprimir vidrio transparente, Los investigadores están centrando su atención en fabricar ópticas reales de alta calidad y lentes de índice de gradiente variando la composición del vidrio. El siguiente obstáculo es la óptica del índice de refracción de gradiente (GRIN), lo que requerirá una mayor comprensión y control del proceso.