Kỹ thuật in 3D mới cho phép sản xuất nhanh, linh hoạt, chất lượng quang học cao chi tiết thủy tinh

Nhóm nghiên cứu Đại học California, Berkeley phối hợp với các nhà khoa học từ Đại học Albert Ludwig ở Freiburg Đức thành công mở rộng khả năng của quy trình in 3D, được phát triển cách đây 3 năm – kỹ thuật in thạch bản trục điện toán (CAL) để in các chi tiết nhỏ bằng thủy tinh. Nhóm nghiên cứu đặt tên cho hệ thống mới này là “micro-CAL”. Công trình nghiên cứu khoa học, được công bố trên tạp chí Science

Kính là vật liệu được ưa thích để tạo ra các vật thể cực nhỏ phức tạp, như thấu kính trong các máy ảnh nhỏ gọn, chất lượng cao, sử dụng trong điện thoại thông minh và ống nội soi, các thiết bị vi lỏng được sử dụng để phân tích hoặc xử lý một lượng rất nhỏ chất lỏng. Nhưng các phương pháp chế tác hiện nay chậm, tốn kém và hạn chế về khả năng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành.

Quy trình CAL về cơ bản khác với quy trình sản xuất in 3D công nghiệp, tạo ra các vật thể từ những lớp vật liệu mỏng. Kỹ thuật này cần nhiều thời gian và kết cấu bề mặt thô ráp. Kỹ thuật CAL in 3D toàn bộ đối tượng đồng thời. Các nhà khoa học sử dụng tia laser chiếu các mẫu ánh sáng vào một khối vật liệu nhạy sáng đang quay, tạo ra một phần vật liệu được chiếu ánh sáng 3D, phần này đông đặc lại theo hình dạng mong muốn. Bản chất 1 lớp của quy trình CAL cho phép bề mặt vật thể nhẵn và có dạng hình học phức tạp.

Nghiên cứu mới của nhóm nhà khoa học vượt qua ranh giới của CAL để chứng minh khả năng in các vật thể kích thước siêu nhỏ trong cấu trúc thủy tinh. Nhà nghiên cứu chính Hayden Taylor, GS kỹ thuật cơ khí tại UC Berkeley cho biết, khi giới thiệu phương pháp này lần đầu tiên năm 2019, CAL có thể in các vật thể bằng polymer với những kích thước nhỏ hơn 1/3 mm. Sử dụng kỹ thuật micro-CAL, có thể in các vật thể bằng polyme với kích thước nhỏ hơn khoảng 20 phần triệu mét, hay khoảng ¼ đường kính sợi tóc con người. Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh được, phương pháp này có thể in không chỉ bằng polyme mà cả thủy tinh, kích thước giảm xuống khoảng 50 phần triệu mét.

Phương pháp mới in 3D các cấu trúc vi thủy tinh phức tạp mạng tứ diện. Nguồn: Ảnh Adam Lau / UC Berkeley.

Để in thủy tinh, nhóm nghiên cứu của GS Taylor hợp tác với các nhà khoa học từ Đại học Albert Ludwig của Freiburg, đã phát triển một loại vật liệu nhựa đặc biệt chứa các hạt thủy tinh nano, bao quanh bằng chất lỏng kết dính nhạy sáng. Những phép chiếu ánh sáng laser kỹ thuật số từ máy in làm rắn chắc chất kết dính, sau đó nhóm nghiên cứu đốt nóng vật thể in, loại bỏ chất kết dính, hợp nhất các hạt nano lại thành một vật thể rắn bằng thủy tinh nguyên chất.

Yếu tố quan trọng trong công trình nghiên cứu là chất kết dính có chỉ số gần tương tự như chỉ số khúc xạ thủy tinh, do đó ánh sáng đi qua vật liệu không bị tán xạ. Quy trình in CAL và vật liệu, được phát triển bằng Glassomer [GmbH] là một kết hợp hoàn hảo.

Ảnh hiển vi điện tử quét của mạng tinh thể lập phương có kích thước thành hạt tinh thể 20 micromet. Ảnh Joseph Toombs / UC Berkeley.

Nhóm nghiên cứu, chạy thử nghiệm và xác định, những vật thể thủy tinh in CAL có độ bền cao hơn so với những vật thể được chế tạo bằng quy trình in lớp thông thường. Các vật thể thủy tinh có xu hướng dễ vỡ khi có nhiều lỗ hổng hoặc vết nứt, bề mặt thô ráp. Do đó, in bằng kỹ thuật CAL tạo ra những vật thể có bề mặt mịn hơn là công nghệ có tiềm năng.

Sinh viên trường UC Berkeley Joseph Toombs sử dụng nhíp gắp cấu trúc mạng tinh thể thủy tinh được tạo ra bằng kỹ thuật in 3D mới. Nguồn: Ảnh Adam Lau / UC Berkeley.

Phương pháp in 3D CAL cung cấp cho các nhà sản xuất khả năng chế tạo các vật kính cực nhỏ đáp ứng những yêu cầu khắt khe về hình học, kích thước cũng như các tính chất quang học và cơ học của các nhà sản xuất linh kiện quang học hiển vi, máy ảnh compact, kính tai nghe thực tế ảo, kính hiển vi tiên tiến và rất nhiều công cụ khoa học khác. Khả năng chế tạo những thành phần này nhanh và linh hoạt về hình học giúp phát triển các chức năng mới của thiết bị, giảm giá thành sản phẩm.