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用于3D打印复杂玻璃物体的激光新工艺

2021-1-18 27 1/18

江苏激光联盟导读:

来自法国艾克斯-马赛大学、洛林大学引入了一种基于激光的新工艺,该工艺依靠多光子诱导聚合来生产复杂的三维(3D)玻璃部件。通过非线性吸收过程,使用聚焦的强激光束在激光束的波长下聚合透明树脂,该树脂负载有添加剂和二氧化硅纳米粒子。他们的研究成果展示在美国光学协会(OSA)的Optics Letters上。

由于玻璃鳞片(亚毫米长)的尺寸或它们的构造,用传统的玻璃加工技术很难甚至有时甚至不可能实现玻璃物体。玻璃基材料的增材制造可构建具有定制性能和高分辨率的新型功能玻璃材料。此外,玻璃基材料由于其硬度、光学质量、可负担性和可用性而具有在增材制造领域提供特殊价值的潜力。在过去的几年中,在开发创新的方法以印刷三维(3D)玻璃结构方面取得了重大进展。例如,为了克服玻璃材料的高熔化温度和高粘度,已经采用粘合剂喷射,选择性激光熔化和玻璃粉烧结的方法。使用这种方法,烧结玻璃可能非常脆弱,并且由于不完全致密化而显得不透明。直接印刷玻璃的方法需要高温:对于熔融沉积成型方法,将钠钙玻璃加热至1000°C左右;对于丝料进给技术,使用手动送丝方法,其中玻璃丝用激光熔化。在这两个过程中,长丝都可能容易受到热应力的影响,并且无法完全融合到所需的结构中,从而形成具有高表面的粗糙结构。

图1. 打印和烧结石英玻璃的例子

然而,用当前的3D打印技术构建任意形状的零件的常见方法是创建多个二维(2D)切片,然后将这些切片堆叠起来以形成3D对象。这种逐层工艺有许多限制:制造时间、机械各向异性特性、收缩、剪切应力、恒定厚度层的可靠实施时间、需要为复杂零件创建支撑以及在后处理操作中消除它们等。这些缺点大多与逐层程序有关。然而,利用双光子聚合技术可以直接产生三维结构,聚合是通过同时吸收强激光辐射的两个光子来激活的,仅在具有光敏引发剂的单体中的空间局部焦点内以高激光强度发生。然后,利用热塑性塑料技术,有可能在聚合物液体内部聚合体积,这与传统的基于单光子的工艺(例如立体平版印刷术)相反),其中聚合仅发生在液体表面或其附近。

▲图2. 负载有二氧化硅纳米粒子的混合物的双光子聚合。515 nm激光束通过长工作距离显微镜物镜聚焦在混合物内部;聚合发生在焦点处,如红色箭头所示。

研究人员所开发的3D打印激光系统的示意图如图3所示。激光源是商业飞秒二极管泵浦的amplified放大激光,工作频率为1030 nm,重复频率为1 kHz。在该实验中,通过在非线性晶体中产生二次谐波可获得515 nm脉冲。平均激光功率由与半波片组合的偏振器控制。激光束穿过光学器件以使光束在透明罐容纳的制剂内部成形。

▲图3. 3D打印系统配置。(a)实验安排示意图;(b)在实验装置上3D打印玻璃制成的复杂零件。

3D打印方法基于多光子聚合,可确保聚合(将液态单体分子连接在一起成为固态聚合物的过程)仅在精确的激光焦点处进行。它可以直接制造尺寸从几微米到几十厘米不等的3D零件,其分辨率理论上仅受用于激光束整形的光学器件的限制。

本文通讯作者Gallais表示,玻璃是用于制造光学器件的主要材料之一。他们的工作是朝着开发一种工艺迈出的第一步,随着进一步的发展,该新方法可能对于制造用于视觉,成像,照明或基于激光的应用的复杂光学器件很有用。这一工艺可能有一天使科学家能够3D打印所需的光学组件。

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