Группа инженеров из Технологического института Карлсруэ разработали новый метод 3D-печати стеклом, имеющий гораздо большую точность, чем доступные сегодня. Работа опубликована в журнале Nature.

Производство прозрачных стеклянных изделий произвольной формы требует сложной термической и химической обработки. Из-за этого, использование традиционных методов 3D-печати для стекла, особенно для создания мелких деталей, затруднено. Существовавшие на момент публикации технологии позволяли с помощью 3D-печати производить изделия либо с высокой прозрачностью, либо с высоким качеством поверхности (слабой шероховатостью). Представленный метод впервые позволил объединить оба этих свойства.

Frederik Kotz et al. / Nature

Схема 3D-печати. Frederik Kotz et al. / Nature

В качестве основы нового метода инженеры решили использовать стереолитографию, хорошо зарекомендовавшую себя в классической 3D-печати пластиком. Недавно похожим способом научились печатать термостойкую керамику. Сначала был подготовлен коллоидный раствор наночастиц оксида кремния (основного компонента стекла) в фотополимере гидроксиэтилметакрилате. С помощью ультрафиолета, проходящего через трафарет заготовке послойно придавалась начальная форма: под действием ультрафиолета фотополимер в нужных местах затвердевал, заготовка поднималась, оставляя жидкий полимер ниже и процесс повторялся для новых слоев. Затем, заготовка нагревалась, из-за чего полимер удалялся, оставляя готовое изделие из чистого стекла. Финальный отжиг уплотнял напечатанное стекло убирая из него поры. Исследование с помощью спектроскопии и дифракции показало, что полученное стекло имеет аморфную структуру, не отличимую от стекла, полученного традиционным методом.

Демонстрация термоустойчивости – нагревание до 800 °C. Frederik Kotz et al. / Nature

Для демонстрации возможностей метода исследователи решили напечатать модель средневекового замка общим размером около двух миллиметров со структурными элементами в 80 микрометров и толщиной слоя 20 микрометров. Полученный материал оказался устойчивым к химическим воздействиям и имел крайне ровную и гладкую поверхность, что подтверждают данные атомно-силовой микроскопии.

Представленная технология может быть использована в микроэлектронике, компактных оптических устройствах и микрофлюидике, где крайне важен размер и качество структурных элементов. За счет использование распространенного метода стереолитографии исследователи надеются на легкое внедрение технологии.

Ранее исследователи из MIT уже представили экспериментальный 3D-принтер, печатающий стеклом, который, однако, не отличался высоким качеством производимых деталей.

Автор: Григорий Копиев