La nuova frontiera della stampa 3D è il vetro

Un team di ricercatori sta sviluppando una tecnica innovativa per stampare in 3D strutture in vetro complesse e trasparenti.

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a cura di Andrea Maiellano

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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.

La stampa 3D del vetro presenta diverse sfide tecniche, fra le quali l'alta viscosità del vetro fuso.

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.

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