julio 7, 2022

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Las estructuras de vidrio delicadas e intrincadas se imprimen rápidamente en 3D utilizando haces de luz

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Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, han desarrollado una nueva forma de imprimir estructuras de vidrio complejas en 3D, incluida la estructura de celosía tetraédrica.

Un nuevo método para imprimir «microestructuras» de vidrio en 3D es más rápido y produce objetos con mayor calidad óptica, flexibilidad de diseño y resistencia, según sus desarrolladores en UC Berkeley en California.

Trabajando con científicos de la Universidad Albert Ludwig en Freiburg, Alemania, los investigadores han ampliado las capacidades del proceso de impresión 3D. Desde hace tres años – Litografía axial computarizada (CAL) – Para la impresión de características más finas y para la impresión sobre vidrio. Llamaron al nuevo sistema «micro-CAL».

El vidrio es el material elegido para crear organismos 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 cantidades diminutas de líquido. Sin embargo, los métodos de fabricación actuales pueden ser lentos, costosos y limitados en su capacidad para satisfacer las crecientes demandas de la industria.

A diferencia de los procesos de fabricación de impresión 3D industriales tradicionales, que a menudo requieren mucho tiempo y dan como resultado texturas superficiales rugosas, una CAL imprime todo el objeto a la vez. Los investigadores usan un láser para proyectar patrones de luz en un volumen giratorio de material fotosensible, construyendo una «dosis de luz» tridimensional que se mantiene unida en la forma deseada. La naturaleza sin capas del proceso CAL permite superficies suaves y geometrías complejas.

El nuevo estudio ha ampliado los límites de CAL para demostrar su capacidad para imprimir características finas. «Cuando publicamos este método por primera vez en 2019, CAL pudo imprimir objetos en polímeros con atributos de aproximadamente un tercio de milímetro», dijo el investigador principal Hayden Taylor, profesor de ingeniería mecánica en UC Berkeley. «Ahora, con micro-CAL, podemos imprimir cosas en polímeros con propiedades de aproximadamente 20 millonésimas de metro, o aproximadamente una cuarta parte del ancho de un cabello humano. Por primera vez, hemos demostrado cómo este método puede imprimir no solo en polímeros pero también sobre vidrio, con características de hasta unas 50 millonésimas de metro.”

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Para imprimir vidrio, Taylor y su equipo de investigación colaboraron con científicos de Albert Ludwig, quienes desarrollaron una resina que contiene nanopartículas de vidrio rodeadas por un fluido aglutinante fotosensible. Las proyecciones de luz digital de la impresora solidifican la unión, luego los investigadores calientan el objeto impreso para eliminar la unión y fusionar las partículas en un cuerpo sólido de vidrio puro.

«El factor clave aquí es que el aglutinante tiene un índice de refracción casi idéntico al del vidrio, por lo que la luz atraviesa el material sin dispersarse», dijo Taylor. «El proceso de impresión CAL y este material desarrollado por «glassomer» GmbH son una combinación perfecta entre sí.

El equipo de investigación, que incluía al autor principal Joseph Tombs, estudiante de doctorado en el laboratorio de Taylor, realizó pruebas y descubrió que los objetos de vidrio impresos con CAL tienen una resistencia más constante que los fabricados con un proceso de impresión tradicional basado en capas. «Los objetos de vidrio tienden a romperse más fácilmente cuando tienen más defectos o grietas, o cuando su superficie es áspera», dijo Taylor. «La capacidad de CAL para fabricar objetos con superficies más suaves que otros procesos de impresión 3D basados ​​en capas es una gran ventaja potencial».

El método de impresión 3D CAL proporciona a los fabricantes de objetos de vidrio microscópicos una forma más eficiente de cumplir con los crecientes requisitos de los clientes en cuanto a geometría, tamaño, propiedades ópticas y mecánicas, dijeron los investigadores. Esto incluye a los fabricantes de componentes ópticos microscópicos, que son una parte esencial de las cámaras compactas, los cascos de realidad virtual, los microscopios de alta gama y otros instrumentos científicos. «La capacidad de hacer que estos componentes sean más rápidos con más libertad de ingeniería podría conducir a una nueva funcionalidad para dispositivos o productos de menor costo», dijo Taylor.

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Los canales de microfluidos también son necesarios para los sistemas de «laboratorio en un chip» para la investigación y el diagnóstico médicos. Hasta ahora, estos eran en su mayoría de plástico, pero a menudo no resistían las altas temperaturas y los productos químicos agresivos. El nuevo proceso hizo posible los complejos sistemas de canales hechos de vidrio, dijo el científico de materiales de Freiburg, Friedrich Kotz-Helmer: “Gracias a la estabilidad térmica y química del vidrio, se abren muchas nuevas áreas de aplicación, particularmente en el campo de on-chip. química.»

El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., el Consejo Europeo de Investigación, la Fundación Carl Zeiss, la Fundación Alemana de Investigación y el Departamento de Energía de EE. UU.

La búsqueda fue publicada en Ciencia.


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