El nuevo proceso permite la impresión 3D de componentes de vidrio pequeños y complejos en solo unos minutos

El nuevo proceso permite la impresión 3D de componentes de vidrio pequeños y complejos en solo unos minutos


19 de abril de 2022

(Noticias de Nanowerk) Debido a su excelente transparencia y su resistencia al calor oa los productos químicos, el vidrio es relevante para muchas aplicaciones de alta tecnología. Sin embargo, los procesos convencionales para dar forma al vidrio suelen ser largos, consumen mucha energía y alcanzan rápidamente sus límites cuando se trata de componentes pequeños y complicados.

Los científicos de materiales de Friburgo Dr. Frederik Kotz-Helmer y el Prof. Dr. En cooperación con la Universidad de California en Berkeley en los EE. UU., Bastian E. Rapp ha desarrollado un nuevo método con el que se pueden producir componentes muy pequeños hechos de vidrio transparente de forma rápida y precisa mediante microimpresión 3D.

Las posibles aplicaciones son componentes para sensores y microscopios, pero también para sistemas lab-on-a-chip.

Los investigadores pudieron publicar sus resultados en Ciencia («Fabricación aditiva volumétrica de sílice fundida utilizando litografía axial calculada a microescala»). Fotografía de una estructura reticular de tetracaidecaedro Fotografía de una estructura reticular de tetracaidecaedro. (Imagen: Universidad de California, Berkeley)

Polvo de vidrio en aglutinante de plástico

La nueva tecnología se basa en los llamados materiales glassomer que Kotz-Helmer y Rapp desarrollaron en el Instituto de Tecnología de Microsistemas (IMTEK) de la Universidad de Friburgo. «Los materiales vidrieros consisten en polvo de vidrio en un aglutinante plástico especial», dice Kotz-Helmer, «por lo que el vidrio se puede procesar como plástico». Los componentes resultantes se colocan en un horno que quema el plástico y sinteriza el vidrio, es decir, lo compacta. . «Al final, los componentes están hechos completamente de cristal de cuarzo altamente transparente», dice Kotz-Helmer.

La pieza se crea en un solo paso

Los científicos de Freiburg ahora han combinado materiales de vidrio con un nuevo proceso de impresión 3D desarrollado por un equipo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Hayden Taylor de la Universidad de California, Berkeley.

Las impresoras 3D convencionales imprimen sus objetos capa por capa. Sin embargo, con el nuevo proceso llamado litografía axial computarizada (CAL), el componente se crea en un solo paso. Un recipiente de material fotosensible líquido se expone a imágenes luminosas bidimensionales del objeto que se va a imprimir desde muchos ángulos diferentes. Cuando las imágenes se superponen y la cantidad de luz absorbida localmente supera un cierto umbral, el material se endurece repentinamente: el componente se crea en unos pocos minutos. El exceso de material aún líquido se puede lavar.

Estructuras tan gruesas como un solo cabello

«En principio, este proceso también funciona con material de vidrio», dice Kotz-Helmer. Para hacer esto, los científicos de Freiburg han desarrollado un material hecho de polvo de vidrio y plástico que es altamente transparente y se endurece rápidamente en un valor umbral adecuado. «El diablo está en el detalle químico aquí», dice el científico de materiales.

Además, el proceso CAL anteriormente solo era adecuado para estructuras relativamente gruesas. Al combinar la experiencia en ciencia de los materiales de la Universidad de Friburgo y el socio del proyecto Glassomer GmbH, una empresa derivada de Friburgo, así como el mayor desarrollo de la tecnología de sistemas en la Universidad de California, ahora ha sido posible agrupar y mejorar estas tecnologías. .

«Por primera vez, pudimos imprimir estructuras en el rango de 50 micrómetros en vidrio en solo unos minutos, que es aproximadamente el grosor de un cabello humano», dice Kotz-Helmer. “Además, las superficies de los componentes son más suaves que con los procesos de impresión 3D convencionales”.

El vidrio como reemplazo del plástico vulnerable

Kotz-Helmer ve posibles aplicaciones para el innovador proceso de fabricación, por ejemplo, en componentes microópticos de sensores, cascos de realidad virtual y microscopios modernos: «La capacidad de fabricar tales componentes a alta velocidad y con gran libertad geométrica permitirá nuevas funciones y permitir productos más rentables en el futuro».

Los canales de microfluidos también son necesarios para los llamados sistemas lab-on-a-chip para investigación y diagnóstico médico. Hasta ahora, la mayoría de estos han sido hechos de plástico, pero a menudo no pueden soportar altas temperaturas y productos químicos agresivos. Gracias a la nueva tecnología de proceso, ahora se pueden producir complejos sistemas de canales en vidrio, dice Kotz-Helmer: «Gracias a la estabilidad térmica y química del vidrio, se están abriendo muchos nuevos campos de aplicación, especialmente en el campo de la química en un -síntesis de chips».



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