Scienziati e collaboratori accademici del Lawrence Livermore National Laboratory hanno dimostrato la sintesi del vetro trasparente attraverso la stampa 3D, uno sviluppo che potrebbe in definitiva portare ad alterare il design e la struttura dei laser e di altri dispositivi che incorporano l'ottica.

Un team di ricercatori LLNL, insieme a scienziati dell'Università del Minnesota e dell'Oklahoma State University, segnala la creazione di componenti in vetro trasparente stampati in 3D nell'ultimo numero di Materiale avanzato , pubblicato online il 28 aprile. Nel giornale, i ricercatori descrivono una tecnica di stampa 3D che consente strutture in vetro e gradienti di composizione precedentemente impossibili attraverso i processi di produzione convenzionali.

"Il laboratorio è sempre alla ricerca di modi diversi per creare nuovi materiali per applicazioni ottiche, " ha affermato Rebecca Dylla-Spears, ingegnere chimico e responsabile del progetto LLNL. "Non sostituiremo i materiali ottici realizzati con mezzi tradizionali, ma stiamo cercando di impartire nuove funzionalità utilizzando la produzione additiva. Questo è il primo passo per essere in grado di stampare ottiche in vetro con gradazione compositiva."

Altri istituti di ricerca hanno dimostrato che la stampa 3D del vetro è possibile, tuttavia, dimostrazioni precedenti hanno comportato l'estrusione di filamenti di vetro fuso attraverso una testina di stampa riscaldata o l'uso di laser per fondere e fondere selettivamente polveri di vetro. Con questi metodi, le polveri e i filamenti non si fondono completamente tra loro nei brevi tempi in cui vengono riscaldati durante il processo di stampa, ricercatori hanno detto, che porta a strutture porose o non uniformi che non sarebbero adatte per applicazioni ottiche.

L'approccio di Lawrence Livermore non si basa sulla stampa di vetro fuso; invece i ricercatori creano inchiostri personalizzati formati da sospensioni concentrate di particelle di vetro con proprietà di flusso altamente controllate in modo che possano essere stampati a temperatura ambiente. I componenti stampati vengono quindi sottoposti a un trattamento termico accuratamente progettato per densificare le parti e rimuovere le tracce del processo di stampa. Finalmente, le parti lavorate ricevono una lucidatura di qualità ottica. I ricercatori hanno affermato che l'approccio migliora le probabilità di raggiungere l'uniformità ottica.

"Per la stampa di ottiche di alta qualità, non dovresti essere in grado di vedere pori e linee, devono essere trasparenti, " ha affermato l'ingegnere dei materiali LLNL Du Nguyen, che ha attraversato numerose miscele di materiali prima di trovare la giusta combinazione. "Una volta ottenuta una formulazione generale su cui lavorare, siamo stati in grado di modificarlo in modo che il materiale potesse fondersi durante il processo di stampa. La maggior parte degli altri gruppi che hanno stampato il vetro fonde prima il vetro e poi lo raffredda, che ha il potenziale per stress residuo e fessurazione. Perché stampiamo a temperatura ambiente, questo è meno di un problema."

Il metodo di LLNL utilizza un "impasto liquido" di particelle di silice estruse attraverso un processo di scrittura a inchiostro diretto. Il prodotto stampato risulta opaco, ma dopo l'essiccazione e il trattamento termico diventa trasparente. A differenza della stampa 3D con vetro fuso, affermano i ricercatori, l'approccio non richiede temperature elevate durante la stampa, consentendo così funzionalità di risoluzione più elevata.

"Questo è stato un primo passo importante perché non c'è stata alcuna dimostrazione di strutture di vetro stampate in 3D dense e trasparenti utilizzando questo approccio di stampa [estrusione], "Dilla-Spears ha detto. "Siamo sulla buona strada per l'ottica in vetro stampata in 3D."

La ricerca potrebbe consentire agli scienziati di stampare vetro che incorpora diversi indici di rifrazione in un'unica ottica piatta, in contrasto con le forme speciali che sono necessarie per gli occhiali a composizione costante per ottenere caratteristiche di lente simili. Grazie alla possibilità di programmare la composizione, Nguyen ha detto, i componenti stampati sarebbero più facili ed economici da finire.

"La lucidatura di lenti complesse o asferiche è piuttosto laboriosa e richiede molta abilità, ma lucidare una superficie piana è molto più semplice, " ha detto Nguyen. "Controllando l'indice di rifrazione nelle parti stampate, tu alteri la curvatura della luce, che consente una lente che potrebbe essere lucidata piatta."

Piuttosto che sostituire l'ottica tradizionale, i ricercatori hanno affermato di voler esplorare nuove applicazioni con gradienti di composizione che oggi non esistono sul mercato. Progettare per nuovi componenti ottici invece di utilizzare ottiche standard potrebbe ridurre le dimensioni, peso o costo dei sistemi ottici.

"La ricerca e lo sviluppo della fabbricazione ottica si stanno orientando verso l'ottica a forma libera, che sono ottiche che possono essere realizzate virtualmente in qualsiasi forma complessa, " disse Tayyab Suratwala, Direttore del programma LLNL per l'ottica e la scienza e la tecnologia dei materiali. "Espandere questo all'ottica stampata in 3D con variazione compositiva può aumentare notevolmente le capacità di questa nuova frontiera".

Mentre la ricerca potrebbe ampliare lo spazio di progettazione per gli ingegneri ottici, può anche avere applicazioni al di fuori dell'ottica, compresi i dispositivi microfluidici in vetro che hanno layout complessi e precedentemente introvabili, ricercatori hanno detto. Il vetro è un materiale pregiato per la microfluidica per la sua trasparenza ottica, resistenza chimica, proprietà meccaniche e capacità di adattare la chimica e la funzionalità della superficie. Però, il vetro è difficile da lavorare e incidere per rendere realizzabili complesse geometrie di dispositivi microfluidici. La stampa 3D del vetro potrebbe cambiarlo, e il team ha dimostrato la stampa 3D di una semplice rete microfluidica.

"Ottenere il controllo compositivo e strutturale per i materiali funzionali, in questo caso per componenti ottici e microfluidica, promette di aprire enormemente lo spazio applicativo per le tecnologie di stampa 3D, "ha detto Eric Duoss, un ingegnere dei materiali che lavora al progetto. "Non è facile da fare, tuttavia il nostro team multidisciplinare è stato in grado di identificare e superare le sfide in un'ampia gamma di aree tra cui chimica, materiali, ingegneria, fisica e ottica, per creare un approccio robusto e ripetibile alla stampa del vetro."

Ora che hanno dimostrato che è possibile stampare il vetro trasparente, i ricercatori stanno rivolgendo la loro attenzione alla realizzazione di ottiche di alta qualità e lenti con indice di sfumatura variando la composizione del vetro. Il prossimo ostacolo è l'ottica Gradient Refractive Index (GRIN), che richiederà una maggiore comprensione e controllo del processo.