Des scientifiques et des collaborateurs universitaires du Lawrence Livermore National Laboratory ont démontré la synthèse de verre transparent par impression 3D, un développement qui pourrait finalement conduire à modifier la conception et la structure des lasers et autres dispositifs intégrant des optiques.

Une équipe de chercheurs du LLNL, avec des scientifiques de l'Université du Minnesota et de l'Oklahoma State University, rapportez la création de composants en verre transparent imprimés en 3D dans le dernier numéro de Matériaux avancés , publié en ligne le 28 avril. Dans le journal, les chercheurs décrivent une technique d'impression 3D permettant des structures de verre et des gradients de composition auparavant impossibles avec les procédés de fabrication conventionnels.

"Le Lab est toujours à la recherche de différentes manières de créer de nouveaux matériaux pour des applications optiques, " a déclaré Rebecca Dylla-Spears, ingénieure chimiste et chef de projet de LLNL. "Nous n'allons pas remplacer les matériaux optiques fabriqués par des moyens traditionnels, mais nous essayons de transmettre de nouvelles fonctionnalités en utilisant la fabrication additive. C'est la première étape pour pouvoir imprimer des optiques en verre à gradation de composition."

D'autres instituts de recherche ont montré que l'impression 3D du verre est possible, cependant, des démonstrations antérieures ont impliqué l'extrusion de filaments de verre fondu à travers une tête d'impression chauffée ou l'utilisation de lasers pour faire fondre et fusionner de manière sélective des poudres de verre. Avec ces méthodes, les poudres et les filaments ne se fondent pas complètement entre eux pendant les courtes périodes où ils sont chauffés pendant le processus d'impression, les chercheurs ont dit, ce qui conduit à des structures poreuses ou non uniformes qui ne seraient pas adaptées aux applications optiques.

L'approche de Lawrence Livermore ne repose pas sur l'impression de verre en fusion; à la place, les chercheurs créent des encres personnalisées qui sont formées à partir de suspensions concentrées de particules de verre avec des propriétés d'écoulement hautement contrôlées afin qu'elles puissent être imprimées à température ambiante. Les composants imprimés subissent ensuite un traitement thermique soigneusement conçu pour densifier les pièces et éliminer les traces du processus d'impression. Finalement, les pièces traitées reçoivent un polissage de qualité optique. Les chercheurs ont déclaré que l'approche améliore les chances d'obtenir une uniformité optique.

"Pour imprimer des optiques de haute qualité, vous ne devriez pas voir les pores et les lignes, ils doivent être transparents, " a déclaré Du Nguyen, ingénieur en matériaux de LLNL, qui a traversé de nombreux mélanges de matériaux avant de trouver la bonne combinaison. « Une fois que nous avons obtenu une formulation générale pour fonctionner, nous avons pu le modifier pour que le matériau puisse fusionner pendant le processus d'impression. La plupart des autres groupes qui ont imprimé du verre font d'abord fondre le verre et le refroidissent plus tard, qui a le potentiel pour le stress résiduel et la fissuration. Parce que nous imprimons à température ambiante, c'est moins un problème."

La méthode de LLNL utilise une « suspension » de particules de silice extrudées par un processus d'écriture à l'encre directe. Le produit imprimé sort opaque, mais après séchage et traitement thermique devient transparent. Contrairement à l'impression 3D avec du verre fondu, déclarent les chercheurs, l'approche ne nécessite pas de températures élevées lors de l'impression, permettant ainsi des fonctionnalités de résolution plus élevée.

« Ce fut une première étape majeure car il n'y a eu aucune démonstration de structures de verre imprimées en 3D denses et transparentes utilisant cette approche d'impression [extrusion], " Dylla-Spears a déclaré. "Nous sommes en route vers des optiques en verre imprimées en 3D."

La recherche pourrait permettre aux scientifiques d'imprimer du verre qui incorpore différents indices de réfraction dans une seule optique plate, par opposition aux formes spéciales qui sont requises pour que les verres à composition constante obtiennent des caractéristiques de lentille similaires. En raison de la possibilité de programmer la composition, Nguyen a dit, les composants imprimés seraient plus faciles et moins chers à finir.

« Le polissage de lentilles complexes ou asphériques demande beaucoup de travail et nécessite beaucoup de compétences, mais polir une surface plane est beaucoup plus facile, " a déclaré Nguyen. " En contrôlant l'indice de réfraction dans les pièces imprimées, vous modifiez la courbure de la lumière, ce qui permet une lentille qui pourrait être polie à plat."

Plutôt que de remplacer les optiques traditionnelles, les chercheurs ont déclaré vouloir explorer de nouvelles applications avec des gradients de composition qui n'existent pas sur le marché aujourd'hui. Concevoir de nouveaux composants optiques au lieu d'utiliser des optiques standard pourrait réduire la taille, le poids ou le coût des systèmes optiques.

« La recherche et le développement de la fabrication optique s'orientent vers l'optique de forme libre, qui sont des optiques qui peuvent être faites pratiquement à n'importe quelle forme complexe, " dit Tayyab Suratwala, Directeur du programme LLNL pour l'optique et la science et la technologie des matériaux. "L'étendre aux optiques imprimées en 3D avec une variation de composition peut considérablement augmenter les capacités de cette nouvelle frontière."

Alors que la recherche pourrait élargir l'espace de conception pour les ingénieurs optiques, il peut également avoir des applications en dehors de l'optique, y compris les dispositifs microfluidiques en verre qui ont des dispositions complexes et auparavant impossibles à obtenir, les chercheurs ont dit. Le verre est un matériau prisé pour la microfluidique en raison de sa transparence optique, résistance chimique, propriétés mécaniques et capacité à adapter sa chimie de surface et sa fonctionnalité. Cependant, le verre est difficile à usiner et à graver pour rendre réalisables des géométries de dispositifs microfluidiques complexes. L'impression 3D du verre pourrait changer cela, et l'équipe a démontré l'impression 3D d'un simple réseau microfluidique.

"Atteindre le contrôle compositionnel et structurel des matériaux fonctionnels, dans ce cas pour les composants optiques et la microfluidique, promet d'ouvrir considérablement l'espace d'application pour les technologies d'impression 3D, " a déclaré Eric Duoss, un ingénieur des matériaux travaillant sur le projet. "Ce n'est pas facile à faire, Cependant, notre équipe multidisciplinaire a été en mesure d'identifier et de surmonter les défis dans un large éventail de domaines, notamment la chimie, matériaux, ingénierie, physique et optique, pour créer une approche robuste et reproductible de l'impression du verre."

Maintenant qu'ils ont prouvé qu'il était possible d'imprimer du verre transparent, les chercheurs se concentrent sur la fabrication d'optiques et de lentilles à gradient d'indice de haute qualité en faisant varier la composition du verre. Le prochain obstacle est l'optique à indice de réfraction à gradient (GRIN), ce qui nécessitera plus de compréhension et de contrôle des processus.