Un nuovo metodo stampare in 3d materiali ottici con Clear Balistic gel polimero termoplastico flessibile

Nonostante l’elevata domanda, la maggior parte dei materiali ottici sono difficili da fabbricare nelle forme desiderate utilizzando tecnologie di produzione all’avanguardia, ma i ricercatori dell’Università dell’Arkansas (UARK) hanno ora sviluppato un nuovo metodo di stampa 3D basata sulla microestrusione che può essere utilizzato con un polimero termoplastico morbido ed estensibile, commercialmente noto come Clear Balistic gel . Questa nuova invenzione tecnologica fornisce un modo economico per consentire a una stampante di modellazione a deposizione regolare fusa (FDM) di stampare con gel balistico, un nuovo tipo di materiale che consentirà molte applicazioni nell’industria della difesa, medica e ottica.

“La stampa 3D ha un grande potenziale nel consentire la fabbricazione di dispositivi ottici complessi per una vasta gamma di applicazioni. Tuttavia, si è rivelato difficile e costoso stampare con materiali ottici convenzionali, come il vetro. All’Università dell’Arkansas, abbiamo sviluppato un nuovo metodo a basso costo per la stampa 3D di dispositivi ottici con un materiale ottico morbido ed estensibile, che apre una nuova porta per questo campo specifico “, Edidiong Nseowo Udofia, co-creatore del metodo e neolaureato in Ingegneria Meccanica presso UARK.

Secondo un articolo pubblicato da Udofia e Whechao Zhou, Assistant Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica di UARK, sebbene esistano molte stampanti FDM commerciali per la stampa 3D di polimeri termoplastici, nessuna stampante esistente è compatibile con la stampa del gel balistico a causa della sua flessibilità. Per ovviare a questo problema, hanno sviluppato una testina di stampa a base di siringa a basso costo per fusione continua ed estrusione del gel balistico, che inizia a sciogliersi a circa 70 ° C. La testina di stampa progettata su misura è composta da una siringa di vetro da 30 ml che funge da serbatoio dell’inchiostro e un ugello di deposizione, entrambi alloggiati in una camera di alluminio riscaldata per facilitare il riscaldamento e l’estrusione del gel. Hanno quindi montato la testina di stampa sulla propria stampante 3D personalizzata. Il gel viene prima fuso e quindi spinto fuori dall’ugello controllando la pressione di deposizione con una valvola digitale,

I ricercatori affermano che la testina di stampa è stata appositamente progettata per evitare intasamenti. È anche in grado di mantenere una temperatura costante tra 70 e 130 ° C con variazioni minime e può stampare con dimensioni dell’ago inferiori a 100 micrometri (μm).

“Clear Gel balistico è un materiale in gelatina molle disponibile in commercio, con test balistici come mercato principale. L’idea di creare un sistema di stampa per il gel è nata a causa della domanda nel mercato medico di realizzare fantasmi anatomici per la pianificazione pre-chirurgica, la ricerca medica, l’istruzione e la formazione; ed è stato avviato dal mio consulente, Wenchao Zhou . Nel corso della nostra ricerca, tuttavia, è diventato chiaro che la chiarezza ottica del gel potrebbe renderlo un materiale accattivante per la realizzazione di ottiche morbide ed estensibili, che è una direzione completamente nuova nel campo dell’ottica ”, ha continuato Udofia.

Testina di stampa e ugello di deposizione progettati su misura alloggiati in una camera di alluminio riscaldata per facilitare il riscaldamento e l’estrusione del gel

Udofia ha spiegato che “oltre a stampare la gelatina Clear Ballistics, il sistema di stampa sviluppato dal nostro gruppo può teoricamente consentire la stampa di qualsiasi materiale che può essere fuso in una forma liquida a una temperatura relativamente bassa”.

La ricerca è stata condotta presso il laboratorio Advanced Manufacturing AM 3 , situato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università dell’Arkansas, dove Udofia lavora dal 2015 come Ph.D. studente, dotato di stereolitografia e stampanti 3D FDM, mulino a controllo numerico, stampanti 3D multi-materiale, scanner 3D, microscopi ad alto ingrandimento e molto altro. Il ricercatore ha anche menzionato che un brevetto è già stato depositato su questa tecnologia da AMBOTS , una società di startup nata dall’AM 3 Lab l’anno scorso.
La loro tecnologia di stampa 3D basata su microestrusione può stampare il gel all’aria aperta senza la necessità di un bagno di supporto o di materiali di supporto. Secondo Udofia, i metodi esistenti per l’ottica di stampa richiedono materiali di supporto attentamente progettati durante il processo di stampa o condizioni estreme di post-elaborazione, il che rende questo approccio molto attraente per un’ampia varietà di applicazioni.

Hanno dimostrato come funziona con una serie di sviluppi ottici, tra cui un’illuminazione artistica unica, divisori di onde di luce e circuiti combinatori su superfici planari e 3D conformi, nonché un encoder ottico. Hanno anche stampato guide d’onda (dispositivi per il trasporto di energia elettromagnetica) e hanno notato che mostrano un’eccezionale trasparenza ottica di oltre il 98%.

Rispetto allo stampaggio del gel, la stampa su gel presenta numerosi vantaggi, principalmente modelli complessi che possono essere realizzati a basso costo, con tempi di consegna rapidi e facilità d’uso.

Alcune applicazioni target includono la vendita della testina di stampa ai clienti che possiedono una stampante FDM o fornitori di stampanti FDM, come Ultimaker o Makerbot , o addirittura forniscono un’intera stampante FDM confezionata con capacità di stampa sia termoplastica che gel.

La semplicità del processo di fabbricazione, le proprietà ottiche eccellenti a basso costo e la flessibilità forniscono un percorso attraente per la fabbricazione di dispositivi ottici integrati e nuove opportunità per il controllo della luce. Le aziende di tutto il mondo sono alla ricerca di metodi a basso costo per la creazione di strutture ottiche complesse con materiali in possesso delle proprietà e della compatibilità richieste da utilizzare con l’ottica.

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