Благодаря своей выдающейся прозрачности, а также стабильности при контакте с теплом или химическими веществами стекло актуально для многих высокотехнологичных применений. Однако обычные процессы формования стекла часто утомительны, энергоемки и быстро достигают своих пределов для небольших и сложных компонентов. Ученые-материаловеды из Фрайбурга доктор Фредерик Коц-Хельмер и профессор доктор Бастиан Э. Рапп в сотрудничестве с Калифорнийским университетом в Беркли в США разработали новый процесс, который можно использовать для производства очень маленьких компонентов из прозрачного стекла. быстро и точно с помощью микро 3D-печати. Возможные области применения включают компоненты для датчиков и микроскопов, а также для систем «лаборатория на кристалле». Исследователи смогли опубликовать свои результаты в текущем выпуске журнала Science.
Стеклянный порошок в пластиковом связующем
Новая технология основана на так называемых материалах Glassomer, которые Коц-Хелмер и Рапп разработали на кафедре микросистемной инженерии (IMTEK) Фрайбургского университета. «Материалы Glassomer состоят из стеклянного порошка в специальном пластиковом связующем, — говорит Котц-Хелмер, — что позволяет обрабатывать стекло как пластик». Полученные компоненты затем помещают в печь, в которой пластик обжигается, а стекло спекается, т.е. уплотняется. «В конце концов, компоненты состоят из стопроцентного высокопрозрачного плавленого кварцевого стекла», — говорит Котц-Хелмер.
Ученые из Фрайбурга теперь объединили материалы Glassomer с новым процессом 3D-печати, разработанным исследовательской группой под руководством профессора доктора Хайдена Тейлора из Калифорнийского университета в Беркли. Обычные 3D-принтеры печатают свои объекты слой за слоем. Однако в новом процессе, называемом компьютерной аксиальной литографией (CAL), компонент создается за один шаг. Сосуд, содержащий жидкий светочувствительный материал, подвергается воздействию двухмерных световых изображений объекта, подлежащего печати, под разными углами. Там, где изображения перекрываются, и количество поглощенного таким образом света локально превышает определенный порог, материал резко затвердевает — в течение нескольких минут компонент формируется. Излишки, еще жидкий материал можно смыть.
«В принципе, этот процесс работает и с материалом Glassomer, — говорит Котц-Хелмер. Для этой цели ученые из Фрайбурга разработали материал из стеклянного порошка и пластика, который является одновременно очень прозрачным и быстро затвердевающим при подходящем пороговом значении. «Здесь дьявол был в химических деталях», — говорит материаловед. Более того, раньше процесс CAL подходил только для относительно грубых структур. Объединив опыт материаловедения Фрайбургского университета и партнера по проекту Glassomer GmbH, дочернего предприятия Фрайбурга, а также дальнейшее развитие системных технологий в Калифорнийском университете, теперь стало возможным объединить и улучшить эти технологии. «В первый раз,
Стекло как замена уязвимому пластику
Коц-Хельмер видит возможные применения инновационного производственного процесса, например, в микрооптических компонентах датчиков, гарнитурах виртуальной реальности и современных микроскопах: «Возможность производить такие компоненты с высокой скоростью и с большой геометрической свободой позволит реализовать новые функции и более рентабельные продукты в будущем».
Микрожидкостные каналы также необходимы для так называемых систем «лаборатория на чипе» для исследований и медицинской диагностики. До сих пор они в основном изготавливались из пластика, но зачастую они не выдерживают высоких температур и агрессивных химикатов. По словам Коц-Хелмер, благодаря новой технологии производства сложные системы каналов теперь можно изготавливать из стекла: «Благодаря термической и химической стабильности стекла открываются многие новые области применения, особенно в области химии и а-чиповый синтез».
