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La stampa 3D volumetrica può produrre piccole parti di vetro in pochi secondi

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Un nuovo metodo di stampa 3D produce parti di vetro in una sola volta, anziché strato per strato.

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Il vetro è sempre più utilizzato nelle fibre ottiche, nell'elettronica di consumo e nella microfluidica per i dispositivi "lab-on-a-chip". Purtroppo, la produzione di vetro tradizionale può essere costosa e lenta, e i piccoli oggetti di vetro stampati in 3D hanno superfici ruvide, che li rendono inadatti per le lenti.

Per risolvere questi problemi, un gruppo di ricerca del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e dell'Università della California, Berkeley, ha ideato un nuovo metodo di stampa 3D noto come produzione volumetrica additiva (VAM). Il team ha utilizzato la VAM per stampare oggetti microscopici, delicati e privi di strati in vetro di silice in pochi secondi o minuti.

La VAM si basa sulla litografia assiale computerizzata (CAL), una tecnologia basata sulla tomografia computerizzata, uno strumento di imaging medico. CAL calcola proiezioni da diverse angolazioni su un modello del pezzo da realizzare. Utilizza quindi la migliore serie di proiezioni per guidare la luce LED in una vasca rotante di resina fotosensibile. Nel corso del tempo, i fasci di luce stabiliscono una distribuzione della luce 3D nella resina, indurendola mentre la vasca ruota. L'oggetto completamente formato si materializza in pochi secondi, molto più velocemente della tradizionale stampa 3D strato per strato. La vasca viene svuotata per ottenere il pezzo.

La nuova tecnica VAM su microscala del team utilizza un laser anziché un LED e una resina di vetro nanocomposita sviluppata in Germania da Glassomer e dall'Università di Friburgo. Il team ha sfruttato la maggiore potenza luminosa del laser e la nuova resina per realizzare rapidamente oggetti in vetro robusti e dalla microstruttura complessa, con una rugosità superficiale di soli 6 nm e caratteristiche di soli 50 µm.

"Gli oggetti di vetro tendono a rompersi più facilmente quando contengono più difetti o crepe o hanno una superficie ruvida", spiega il professore di Berkeley Hayden Taylor. "La capacità della VAM di realizzare oggetti con superfici più lisce rispetto ad altri processi di stampa 3D rappresenta quindi un importante vantaggio potenziale"

Il team ha confrontato la resistenza alla rottura del vetro costruito con VAM con oggetti delle stesse dimensioni realizzati con la stampa 3D tradizionale a strati. È emerso che i carichi di rottura delle strutture stampate con VAM sono più strettamente raggruppati, il che significa che i ricercatori potrebbero avere maggiore fiducia nel carico di rottura dei componenti stampati con VAM rispetto a quelli realizzati con tecniche convenzionali. Inoltre, VAM produce superfici estremamente lisce senza artefatti di stratificazione, consentendo una stampa più rapida senza ulteriori post-elaborazioni.

"Potete immaginare il tentativo di creare queste piccole micro-ottiche e complesse microarchitetture utilizzando le tecniche di fabbricazione standard; non è davvero possibile", ha detto Cook. "E poter stampare parti pronte all'uso senza doverle lucidare fa risparmiare una quantità significativa di tempo e denaro"

Secondo i ricercatori, il vetro stampato con la VAM dovrebbe aiutare a realizzare dispositivi in vetro massiccio con caratteristiche microscopiche, a produrre componenti ottici con maggiore libertà geometrica e a velocità più elevate, e potenzialmente ad aggiungere nuove funzioni o a ridurre i costi.

Le applicazioni nel mondo reale potrebbero includere micro-ottica in fotocamere di alta qualità, elettronica di consumo, imaging biomedico, sensori chimici, cuffie per la realtà virtuale, microscopi avanzati e microfluidica con geometrie 3D impegnative, come i "lab-on-a-chip" Inoltre, le proprietà benevole del vetro si prestano bene alle applicazioni biomediche e a quelle che devono resistere alle alte temperature o all'esposizione chimica.

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