Прецизно оформеното стъкло
Векове наред хората са нагрявали, издухали и опъвали стъкло във всички възможни форми. От полезни домакински предмети до сложни прозорци. Сега изследователи от университета Нотр Дам в Индиана работят за адаптиране на занаятчийски техники за правене на стъкло към роботизирана платформа. Вместо фенер и чифт огнеустойчиви ръкавици, те използват лазер и компютърно контролирана среда. Идеята работи за създаване на прозрачни твърди структури, необходими в оптични, микрофлуидни и фотонни устройства.
Ако искате геометрия на стъклото различна от тази, която се появява в търговските химически апарати, ще отидете при майстор на стъкло. Това не е така за металите и много полимери, където компютърното цифрово управление (CNC) може бързо да създава отделни части със сложни геометрии. Машината, която позволява бързо производство на стъкло, може да преодолее тази празнина.
Свойства на стъклата
Самите свойства, които правят стъклата на силикатна основа подходящи за научно оборудване и потребителски продукти са висока термична стабилност, твърдост, оптична прозрачност и химическа инертност. Това поставя материала извън обсега на повечето адитивни производствени процеси.
Как да отпечатате стъкло?
Един адитивен подход започва с напълно оформено стъкло и го стопява при прилагане на топлина, подходяща за стъкла с по-ниски температури на обработка и за компоненти с по-ниска разделителна способност. Снадките, които се образуват между съседни писти, ограничават прозрачността и затрудняват създаването на напълно плътни структури.
Друг успешен подход, който дори е комерсиализиран, отлага суспензии от прекурсор на силициев диоксид, комбинирани с фотополимер в модел. След това получената структура се изсушава и уплътнява чрез продължително нагряване. Този подход създава някои страхотни обекти, но може да се затрудни направата на по-големи или редки структури.
Дигитално оформяне
Точно тук се намесва дигиталното оформяне на стъкло. Чрез нова техника, която използва лазер за нагряване на повърхността на стъклена пръчка.
Лазер с въглероден диоксид локално разтопява стъклена нишка с малък диаметър, така че тя може да бъде деформирана. Изследователите конструират 3D форми чрез преместване на стопен кварцов субстрат върху 4-осна CNC платформа спрямо пресечната точка на нишката и лазерния лъч. Разтопеното стъкло се оформя контролирано от взаимодействието със субстрата и налягането от незагрятата част на нишката, както и от гравитацията и повърхностното напрежение.
Прилагането на пневматично налягане, насочено надолу по стъклената суровина, позволява на екипа да приложи този процес към кухи стъклени пръти, за да създаде както 2D форми върху субстрат, така и свободностоящи 3D спирални структури.
Подобряване на процеса
Това се случва чрез внимателно настройване на скоростта за сканиране, мощността на лазера и скоростите на подаване на нишките. При обемно нагряване с лазерен лъч в коаксиална конфигурация се загрява нишка от натриево-калциево стъкло. Тя сама по себе си е прозрачна за лазера, но облицовката й с добавки променя оптичната дълбочина на проникване. Експериментите показват, че е възможно да се произвеждат напълно плътни, гладки 2D и 3D геометрии без мехурчета в мащаб от десетки милиметри при скорост на отлагане от 15 кубични милиметра в секунда. Това беше ограничено от текущото представяне на сцената и моделите прогнозират, че крайната производителност може да бъде много по-висока.
Екипът също демонстрира способността да създава оптични вълноводи. Там влакнеста суровина с диаметър 125 микрометра е нанесена върху субстрат. Той поддържа оптично предаване около криви с достатъчен диаметър. За да се създадат фотонни вериги, две отложени влакна трябва да бъдат свързани заедно. Така мимолетните вълни от едно влакнесто ядро да могат да се свържат едно в друго. Процесът се оказва много обещаващ и може да доведе до много нови приложения.
