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Un team di ricercatori dell'Università di Notre Dame in Indiana sta sviluppando una tecnica innovativa per stampare in 3D strutture in vetro complesse e trasparenti.
Guidati dal professor Ed Kinzel, gli scienziati stanno adattando le tecniche artigianali di soffiatura del vetro a una piattaforma robotica, utilizzando un laser e uno stage controllato da computer invece dei tradizionali strumenti manuali.
Questa nuova tecnologia, chiamata "digital glass forming", mira a combinare la libertà geometrica della lavorazione manuale del vetro con la precisione della stampa 3D moderna. L'obiettivo è colmare il divario nelle capacità di prototipazione rapida per il vetro, un materiale che finora è rimasto fuori dalla portata della maggior parte dei processi di produzione additiva a causa delle sue proprietà uniche.
La stampa 3D del vetro presenta diverse sfide tecniche. L'alta viscosità del vetro fuso rende difficile eliminare le bolle nei processi a letto di polvere. Inoltre, la trasparenza del vetro a molte lunghezze d'onda lo rende inadatto ai laser comunemente usati negli approcci di fusione e solidificazione a strati.
Alcuni approcci esistenti, come la fusione di vetro preformato, hanno limitazioni in termini di risoluzione, trasparenza o capacità di creare strutture più grandi o sparse.
Il metodo sviluppato da Kinzel e colleghi utilizza un laser a CO2 per fondere localmente un filamento di vetro di piccolo diametro. Un substrato di quarzo fuso viene spostato su una piattaforma CNC a 4 assi rispetto all'intersezione tra il filamento e il raggio laser.
Il vetro fuso viene modellato controllando l'interazione con il substrato, la pressione dalla parte non riscaldata del filamento, la gravità e la tensione superficiale.
Applicando pressione pneumatica, il team è riuscito a utilizzare anche tubi di vetro cavi per creare forme 2D su substrato e strutture 3D a spirale autoportanti.
Regolando attentamente parametri come la velocità di scansione, la potenza del laser e le velocità di alimentazione del filamento, i ricercatori sono passati dalla stampa lenta di strutture cave alla rapida creazione di solidi 3D densi e perfettamente trasparenti.
Gli esperimenti hanno dimostrato la possibilità di fabbricare geometrie 2D e 3D completamente dense, lisce e prive di bolle su scala di decine di millimetri, con una velocità di deposizione di 15 mm³/s.
Kinzel afferma: "Crediamo ci siano applicazioni come reticoli leggeri e ad alta resistenza che trarrebbero vantaggio dalle proprietà del vetro ma sarebbero molto difficili da produrre artigianalmente e beneficerebbero dell'alta precisione".
Il team ha anche dimostrato la capacità di creare guide d'onda ottiche, depositando filamenti di fibra ottica che mantengono la trasmissione attorno a curve di diametro sufficiente. Stanno ora lavorando per accoppiare due fibre depositate in modo da creare circuiti fotonici.
La ricerca è stata presentata alla conferenza Advanced Photonics di Optica in Quebec a luglio, e ulteriori dettagli tecnici sono stati pubblicati in un articolo su Journal of Manufacturing Processes a giugno.
Questa innovativa tecnica di stampa 3D del vetro potrebbe aprire nuove possibilità nella produzione di dispositivi ottici, microfluidici e fotonici, offrendo una combinazione unica di libertà geometrica e precisione nella lavorazione di questo materiale versatile ma impegnativo.