Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore e colaboradores acadêmicos demonstraram a síntese de vidro transparente por meio de impressão 3-D, um desenvolvimento que pode levar à alteração do design e da estrutura de lasers e outros dispositivos que incorporam óptica.

Uma equipe de pesquisadores LLNL, junto com cientistas da Universidade de Minnesota e da Universidade Estadual de Oklahoma, relatar a criação de componentes de vidro transparente impressos em 3D na última edição da Materiais avançados , publicado online em 28 de abril. No jornal, os pesquisadores descrevem uma técnica de impressão 3-D que permite estruturas de vidro e gradientes de composição anteriormente impossíveis por meio de processos de fabricação convencionais.

"O Laboratório está sempre procurando maneiras diferentes de criar novos materiais para aplicações ópticas, "disse a engenheira química do LLNL e líder do projeto Rebecca Dylla-Spears." Não vamos substituir os materiais ópticos feitos por meios tradicionais, mas estamos tentando transmitir novas funcionalidades usando manufatura aditiva. Este é o primeiro passo para poder imprimir lentes de vidro com composição gradativa. "

Outras instituições de pesquisa mostraram que a impressão 3D de vidro é possível, no entanto, as demonstrações anteriores envolveram a extrusão de filamentos de vidro derretido por meio de uma cabeça de impressão aquecida ou o uso de lasers para derreter e fundir seletivamente os pós de vidro. Com esses métodos, os pós e os filamentos não se fundem totalmente nos curtos tempos em que são aquecidos durante o processo de impressão, pesquisadores disseram, o que leva a estruturas porosas ou não uniformes que não seriam adequadas para aplicações ópticas.

A abordagem de Lawrence Livermore não depende da impressão de vidro fundido; em vez disso, os pesquisadores criaram tintas personalizadas que são formadas a partir de suspensões concentradas de partículas de vidro com propriedades de fluxo altamente controladas para que possam ser impressas em temperatura ambiente. Os componentes impressos, então, passam por um tratamento térmico cuidadosamente projetado para densificar as peças e remover as evidências do processo de impressão. Finalmente, as peças processadas recebem um polimento de qualidade ótica. Os pesquisadores disseram que a abordagem aumenta as chances de se obter uniformidade óptica.

"Para impressão óptica de alta qualidade, você não deve ser capaz de ver nenhum poro e linhas, eles têm que ser transparentes, "disse o engenheiro de materiais do LLNL, Du Nguyen, que passou por várias misturas de materiais antes de encontrar a combinação certa. "Assim que tivermos uma formulação geral para funcionar, pudemos ajustá-lo para que o material pudesse se fundir durante o processo de impressão. A maioria dos outros grupos que têm vidro impresso derretem o vidro primeiro e o resfriam depois, que tem potencial para tensão residual e rachaduras. Porque imprimimos em temperatura ambiente, isso é menos problemático. "

O método do LLNL usa uma "pasta" de partículas de sílica extrudadas por meio de um processo de escrita com tinta direta. O produto impresso sai opaco, mas após a secagem e o tratamento térmico torna-se transparente. Em contraste com a impressão 3-D com vidro fundido, os pesquisadores afirmam, a abordagem não requer altas temperaturas durante a impressão, permitindo, assim, recursos de resolução mais alta.

"Este foi um primeiro passo importante porque não houve nenhuma demonstração de estruturas de vidro impresso em 3-D denso e transparente usando esta abordagem de impressão [extrusão], "Dylla-Spears disse." Estamos a caminho da óptica de vidro impresso 3-D. "

A pesquisa pode permitir que os cientistas imprimam vidro que incorpora diferentes índices de refração em uma única óptica plana, em oposição às formas especiais que são necessárias para vidros de composição constante para atingir características de lente semelhantes. Devido à capacidade de programar a composição, Nguyen disse, os componentes impressos seriam mais fáceis e baratos de terminar.

"Polir lentes complexas ou asféricas exige muito trabalho e requer muita habilidade, mas polir uma superfície plana é muito mais fácil, "Nguyen disse." Ao controlar o índice de refração nas peças impressas, você altera a curvatura da luz, o que permite uma lente que pode ser polida até ficar plana. "

Em vez de substituir a ótica tradicional, pesquisadores disseram que querem explorar novas aplicações com gradientes de composição que não existem no mercado hoje. Projetar para novos componentes ópticos em vez de usar ópticas prontas pode reduzir o tamanho, peso ou custo dos sistemas óticos.

"A pesquisa e o desenvolvimento de fabricação óptica estão tendendo para a óptica de forma livre, que são ópticas que podem ser feitas virtualmente em qualquer forma complexa, "disse Tayyab Suratwala, Diretor do programa de Óptica e Ciência e Tecnologia de Materiais do LLNL. "Expandir isso para a ótica impressa em 3-D com variação de composição pode aumentar muito as capacidades desta nova fronteira."

Embora a pesquisa possa expandir o espaço de design para engenheiros ópticos, também pode ter aplicações fora da óptica, incluindo dispositivos microfluídicos de vidro que têm layouts complexos e anteriormente inalcançáveis, pesquisadores disseram. O vidro é um material valioso para a microfluídica devido à sua transparência óptica, resistência química, propriedades mecânicas e capacidade de adaptar a química e a funcionalidade de sua superfície. Contudo, o vidro é difícil de usinar e gravar para tornar viáveis ​​geometrias complexas de dispositivos microfluídicos. A impressão 3D do vidro pode mudar isso, e a equipe demonstrou a impressão 3-D de uma rede microfluídica simples.

"Atingindo o controle composicional e estrutural para materiais funcionais, neste caso, para componentes ópticos e microfluídicos, promete abrir tremendamente o espaço de aplicação para tecnologias de impressão 3D, "disse Eric Duoss, um engenheiro de materiais trabalhando no projeto. "Não é fácil de fazer, no entanto, nossa equipe multidisciplinar foi capaz de identificar e superar desafios em uma ampla gama de áreas, incluindo química, materiais, Engenharia, física e ótica, para criar uma abordagem robusta e repetível para o vidro de impressão. "

Agora que eles provaram que a impressão de vidro transparente é possível, os pesquisadores estão voltando sua atenção para a fabricação de lentes reais de alta qualidade e de índice gradiente, variando a composição do vidro. O próximo obstáculo é a ótica do Gradient Refractive Index (GRIN), o que exigirá mais compreensão e controle do processo.