Pesquisadores da UC Berkeley desenvolveram uma nova maneira de imprimir microestruturas de vidro em 3D que é mais rápida e produz objetos com maior qualidade óptica, flexibilidade de design e resistência, de acordo com um novo estudo publicado na edição de 15 de abril da revista Science.
Trabalhando com cientistas da Universidade Albert Ludwig de Freiburg, na Alemanha, os pesquisadores expandiram os recursos de um processo de impressão 3D desenvolvido há três anos – litografia axial computadorizada (CAL) – para imprimir recursos muito mais finos e imprimir em vidro. Eles apelidaram esse novo sistema de “micro-CAL”.
O vidro é o material preferido para criar objetos microscópicos complexos, incluindo lentes em câmeras compactas e de alta qualidade usadas em smartphones e endoscópios, bem como dispositivos microfluídicos usados para analisar ou processar quantidades mínimas de líquido. Mas os métodos de fabricação atuais podem ser lentos, caros e limitados em sua capacidade de atender às crescentes demandas da indústria.
O processo CAL é fundamentalmente diferente dos processos industriais de fabricação de impressão 3D de hoje, que constroem objetos a partir de finas camadas de material. Esta técnica pode ser demorada e resultar em textura de superfície áspera. A CAL, no entanto, imprime em 3D o objeto inteiro simultaneamente. Os pesquisadores usam um laser para projetar padrões de luz em um volume rotativo de material sensível à luz, construindo uma dose de luz 3D que então se solidifica na forma desejada. A natureza sem camadas do processo CAL permite superfícies lisas e geometrias complexas.
Este estudo ultrapassa os limites da CAL para demonstrar sua capacidade de imprimir recursos em microescala em estruturas de vidro. “Quando publicamos esse método pela primeira vez em 2019, a CAL podia imprimir objetos em polímeros com recursos de até um terço de milímetro de tamanho”, disse Hayden Taylor, investigador principal e professor de engenharia mecânica da UC Berkeley. “Agora, com micro-CAL, podemos imprimir objetos em polímeros com características de até 20 milionésimos de metro, ou cerca de um quarto da largura de um fio de cabelo humano. E pela primeira vez, mostramos como esse método pode imprimir não apenas em polímeros, mas também em vidro, com características de até 50 milionésimos de metro.”
Para imprimir o vidro, Taylor e sua equipe de pesquisa colaboraram com cientistas da Universidade Albert Ludwig de Freiburg, que desenvolveram um material de resina especial contendo nanopartículas de vidro cercadas por um líquido aglutinante sensível à luz. As projeções de luz digital da impressora solidificam o aglutinante, então os pesquisadores aquecem o objeto impresso para remover o aglutinante e fundir as partículas em um objeto sólido de vidro puro.
“O principal facilitador aqui é que o aglutinante tem um índice de refração praticamente idêntico ao do vidro, de modo que a luz passa pelo material praticamente sem dispersão”, disse Taylor. “O processo de impressão CAL e este material desenvolvido pela Glassomer [GmbH] são uma combinação perfeita um para o outro.”
A equipe de pesquisa, que incluiu o autor principal Joseph Toombs, Ph.D. estudante no laboratório de Taylor, também fez testes e descobriu que os objetos de vidro impressos com CAL tinham uma resistência mais consistente do que aqueles feitos usando um processo de impressão convencional baseado em camadas. “Os objetos de vidro tendem a quebrar mais facilmente quando contêm mais falhas ou rachaduras, ou têm uma superfície áspera”, disse Taylor. “A capacidade da CAL de fazer objetos com superfícies mais lisas do que outros processos de impressão 3D baseados em camadas é, portanto, uma grande vantagem potencial”.
O método de impressão 3D CAL oferece aos fabricantes de objetos de vidro microscópicos uma maneira nova e mais eficiente de atender aos exigentes requisitos dos clientes quanto à geometria, tamanho e propriedades ópticas e mecânicas. Especificamente, isso inclui fabricantes de componentes ópticos microscópicos, que são uma parte essencial de câmeras compactas, fones de ouvido de realidade virtual, microscópios avançados e outros instrumentos científicos. “Ser capaz de tornar esses componentes mais rápidos e com mais liberdade geométrica pode levar a novas funções de dispositivos ou produtos de baixo custo”, disse Taylor.
Publicado em 18/04/2022 06h36
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