研究

Freiburg-NaniScribe科学家使用2PP 3D打印机来创建超精密玻璃光学器件

科学家从弗赖堡大学3D打印机制造商Nanoscribe利用双光子聚合(2PP)系统来制造玻璃二氧化硅微结构,分辨率仅为几十千微米。

使用新的“Grassomer”聚合物基树脂,团队3D印刷物体,表面粗糙度为6纳米,远小于许多其他玻璃零件中的40-200纳米。在未来,科学家认为,可以部署其独特的印刷,逐步和烧结过程,以产生具有潜在生物医学应用的下一代微光学。

弗莱堡大学教授巴斯蒂安·拉普表示:“这项技术首次允许使用最令人兴奋的3D打印技术之一来处理玻璃。”“这样,以前无法实现的结构细节和具有突出复杂性的组件将变得容易实现。”

使用他们的Glassomer 3D印刷材料,该团队能够制造直立的微透镜(图为)。照片通过Bastian Rapp。

微玻璃光学的演变

硅酸盐玻璃提供了高水平的光学透明度和耐热性和耐化学性,使其成为光学、微流体和化学应用的理想材料。然而,当用于磨削和抛光等制造过程时,它通常只能创建具有简单几何形状和微米级精度的对象。

类似地,当使用激光辅助蚀刻技术生产时,硅酸盐玻璃部件倾向于具有40-200nm的粗糙表面,在使用前需要过度处理。另一方面,2PP使用双光子吸收,这在印刷过程中限制聚合体素,产生更高的分离部分具有更平滑的表面。

该技术常被用于制造塑料、陶瓷或金属物体,尽管广泛的玻璃2PP研发正在进行,但该工艺尚未完善。考虑到充分优化玻璃硅酸盐部件的商业生物医学潜力,弗莱堡团队因此决定与Nanoscribe合作,创新修订的3D打印工艺。

研究人员用他们的纳米复合材料进行了一系列测试,包括3D打印一个复杂的玻璃棋子(如图)。照片由弗莱堡大学提供。

科学家的“Glassomer”过程

研究人员新方法的核心是他们的新型玻璃体硅酸盐纳米复合材料,它由包裹在粘结剂基质中的二氧化硅纳米颗粒组成。虽然该团队之前在SLA工艺中使用了该材料,但由于其低透明度,他们无法将其用于2PP 3D打印玻璃光学。

为了打击这一点,科学家们提高了树脂的化学交联,以提供更大的固化速度。这不仅能够帮助其化学稳定性,而且还给出了91.6%的透明度。利用他们修订的混合物和一个光子专业GT2 3D打印机之后,该团队制作了一系列聚合物纳米结构的原型。

一旦打印出来,样品被浸泡在甲醇中以去除任何非聚合材料,并在600°C的温度下加热以去除聚合物粘合剂。最终的零件被烧结成熔融的硅玻璃,尽管它们有轻微的收缩,但它们也可以被打印成高度复杂的结构。

为了证明这一点,该团队3D打印了三个直立的微透镜,其表面粗糙度为6.1纳米,不需要任何后处理。此外,该器件的平均折射率为1.4585,与商用玻璃光学器件的特性几乎相同。

随着进一步的研发和应用特定的参数集,该团队得出结论,他们的新方法可以用于创建新一代超光滑玻璃组件,具有广泛的光子学、生命科学和生物医学工程应用。

纳米3D打印技术的进展

Nanoscribe是新兴的2PP 3D打印市场的早期领导者之一,许多公司竞相开发制造越来越复杂的微观部件的工艺。

nanscribe介绍了它2PP量子X 3D打印机它将于2019年6月推出,能够生产小至200微米的折射和衍射微型光学器件。当时,该公司的联合创始人迈克尔·蒂尔(Michael Thiel)声称,这款机器为用户提供了“前所未有的设计自由度和易用性”。

同样,2PP专家Upnano.首次亮相NanoOne 3 d打印机就在上个月。该公司的首次商业发射已经获得了业界和学术界的几份订单,反映出该技术的研究应用日益增长。

2PP 3D打印还发现了实验应用,以及基于的团队格勒诺布尔大学试图用磁场来控制它们的附加显微结构。通过将微珠嵌入千年猎鹰形印刷品,科学家们能够有效地让它“飞”起来。

研究人员的研究结果详细发表在他们题为《纳米复合材料的双光子聚合,用于制备透明熔融石英玻璃微观结构。“该研究由Frederik Kotz,Alexander S. Quick,Patrick Risch,Tanja Martin,Tanias Hoose,Michael Thiel,Dorothea Helmer和Bastian E. Rapp。

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特写图像显示了该团队的一个3D打印熔融石英玻璃镜片的侧面。照片通过Bastian Rapp。