INVESTIGACIÓN Y DISEÑO


La impresión 3D en vidrio, ¿una realidad?

19/04/2022

CATEGORíA: Nuevos avances MARCA: UC Berkeley

Investigadores de la Universidad de Berkeley, en California, han desarrollado una tecnología innovadora de impresión 3D para producir microestructuras de vidrio


Investigadores de UC Berkeley han desarrollado una nueva forma de imprimir microestructuras de vidrio en 3D que es más rápida y produce objetos con mayor calidad óptica, flexibilidad de diseño y resistencia, según un nuevo estudio publicado en ls revista Science.

 

Rejillas de vidrio impresas en 3D, mostradas frente a un centavo de EE.UU., a escala. (Foto de Joseph Toombs)

 

 

Trabajando con científicos de la Universidad Albert Ludwig de Freiburg, en Alemania, los investigadores ampliaron las capacidades de un proceso de impresión 3D que desarrollaron hace tres años, la litografía axial computarizada (CAL), para imprimir características mucho más finas e imprimir en vidrio. A este nuevo sistema lo llamaron "micro-CAL".

 

El vidrio es el material preferido para crear objetos microscópicos complejos, incluidas las lentes de las cámaras compactas de alta calidad que se usan en los teléfonos inteligentes y los endoscopios, así como los dispositivos de microfluidos que se usan para analizar o procesar cantidades diminutas de líquido. Pero los métodos de fabricación actuales pueden ser lentos, costosos y limitados en su capacidad para satisfacer las crecientes demandas de la industria.

El proceso CAL es, fundamentalmente, diferente de los procesos de fabricación de impresión 3D industriales actuales, que construyen objetos a partir de capas delgadas de material. Esta técnica puede requerir mucho tiempo y dar como resultado una textura superficial rugosa. CAL, sin embargo, imprime en 3D todo el objeto simultáneamente.

 

Los investigadores usan un láser para proyectar patrones de luz en un volumen giratorio de material sensible a la luz, creando una dosis de luz 3D que luego se solidifica en la forma deseada. La naturaleza sin capas del proceso CAL permite superficies suaves y geometrías complejas. Este estudio supera los límites de CAL para demostrar su capacidad para imprimir características a microescala en estructuras de vidrio. “Cuando publicamos este método por primera vez en 2019, CAL podía imprimir objetos en polímeros con características de hasta un tercio de milímetro de tamaño”, dijo Hayden Taylor, investigador principal y profesor de ingeniería mecánica en UC Berkeley. “Ahora, con micro-CAL, podemos imprimir objetos en polímeros con características de hasta aproximadamente 20 millonésimas de metro, o aproximadamente la cuarta parte del ancho de un cabello humano. Y, por primera vez, hemos demostrado cómo este método puede imprimir no solo en polímeros sino también en vidrio, con características de hasta aproximadamente 50 millonésimas de metro”.

 

Para imprimir el vidrio, Taylor y su equipo de investigación colaboraron con científicos de la Universidad Albert Ludwig de Freiburg, quienes desarrollaron un material de resina especial que contiene nanopartículas de vidrio rodeadas por un líquido aglutinante sensible a la luz. Las proyecciones de luz digital de la impresora solidifican el aglutinante, luego los investigadores calientan el objeto impreso para eliminar el aglutinante y fusionar las partículas en un objeto sólido de vidrio puro. “El habilitador clave aquí es que el aglutinante tiene un índice de refracción que es prácticamente idéntico al del vidrio, por lo que la luz pasa a través del material prácticamente sin dispersión”, dijo Taylor. “El proceso de impresión CAL y este material desarrollado por Glassomer [GmbH] son ​​una combinación perfecta entre sí”.

 

Un modelo de microtúbulos trifurcados impresos en 3D.

(Video de Adam Lau/Berkeley Engineering)

 

 

El equipo de investigación, que incluía al autor principal Joseph Toombs, Ph.D. estudiante en el laboratorio de Taylor, también realizó pruebas y descubrió que los objetos de vidrio impresos con CAL tenían una resistencia más constante que los fabricados con un proceso de impresión convencional basado en capas. “Los objetos de vidrio tienden a romperse más fácilmente cuando contienen más fallas o grietas, o tienen una superficie áspera”, dijo Taylor. “La capacidad de CAL para hacer objetos con superficies más suaves que otros procesos de impresión 3D basados ​​en capas es, por lo tanto, una gran ventaja potencial”.

El método de impresión 3D CAL ofrece a los fabricantes de objetos de vidrio microscópicos una forma nueva y más eficiente de cumplir con los exigentes requisitos de geometría, tamaño y propiedades ópticas y mecánicas de los clientes. Específicamente, esto incluye a los fabricantes de componentes ópticos microscópicos, que son una parte clave de las cámaras compactas, los cascos de realidad virtual, los microscopios avanzados y otros instrumentos científicos. “Ser capaz de hacer que estos componentes sean más rápidos y con más libertad geométrica podría conducir potencialmente a nuevas funciones de dispositivos o productos de menor coste”, dijo Taylor.

 

Este estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, el Consejo Europeo de Investigación, la Fundación Carl Zeiss, la Fundación Alemana de Investigación y el Departamento de Energía de los Estados Unidos.

 

Fuente: https://engineering.berkeley.edu/

 

 

 

 

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