(Nie)typowe materiały w druku przestrzennym – szkło

0

W tym artykule na celowniku znalazł się druk ze szkła. Kilkukrotnie na łamach CD3D pojawiały się artykuły o nowych osiągnięciach związanych z zastosowaniem tego materiału w druku przestrzennym. Wydawałoby się, że szkło jest idealnym materiałem do druku 3D – wystarczy je ogrzać do temperatury topnienia i wyciskać przez głowicę, podobnie jak drukuje się plastikiem w technologii FDM.

Ponad 2 lata temu grupa inżynierów i artystów z MIT opracowała drukarkę działającą właśnie na tej zasadzie.  Niestety wydrukom, choć wyglądają efektownie, brakuje istotnej cechy, której zwykle oczekuje się od szklanych przedmiotów – przezroczystości. Stopione szkło wyciskane przez głowicę nie tworzy gładkiej tafli z zastygniętym materiałem, więc światło załamuje w różnych kierunkach przechodząc przez ścianki wydruków. Wydrukowane w ten sposób szkło jest także stosunkowo kruche.

Wreszcie, drukarka z MIT pracuje w dość drastycznych warunkach – w piecu umieszczonym nad ekstruderem szkło ogrzewane jest do temperatury 1900°C – a zastosowanie mechanizmów odpornych na bardzo wysoką temperaturę wiąże się z niską precyzją druku.

Problem wysokiej temperatury udało się obejść naukowcom z KIT (Karlsruher Institut für Technologie) w 2017 roku. Do utworzenia szklanych obiektów o stosunkowo skomplikowanej geometrii (m.in. logo KIT i precelka mieszczących się na palcu) wykorzystano standardową drukarkę SLA (Asiga Pico 2). Clou ich metody było wykorzystanie do druku zawiesiny nanocząstek krzemionki w żywicy. Wydruki ogrzewano następnie w piecu próżniowym do temperatury  1300°C, co pozwoliło pozbyć się polimeru i spoić nanocząstki krzemionki (podczas tego procesu wydruki kurczyły się o ok. 30%). Twórcy metody zachwalali, że pozwala ona tworzyć szklane elementy bardzo dobrze przepuszczające światło i charakteryzujące się wysoką odpornością na zmiany temperatury.

Również w 2017 roku badacze z LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) opublikowali pracę opisującą jeszcze inną technologię (wykorzystującą oczywiście druk 3D), która umożliwiła wreszcie otrzymanie elementów z zachowaniem wysokiej precyzji, odpornych na zmiany temperatury i naprężenia i, co najważniejsze, przezroczystych (na tyle przezroczystych, że można było rozważać wykorzystanie nowej metody do produkcji elementów układów optycznych).

W tym wypadku także drukowano zawiesiną nanocząstek krzemionki, ale za pomocą drukarki pracującej w technologii DIW (Direct Ink Writing). Tusz, składający się głownie z cząstek krzemionki i rozpuszczalnika organicznego (tzw. tetraglymu) wyciskany był przez wąską dyszę co powodowało jego natychmiastowe zestalenie. Wydruki poddawano suszeniu w temperaturze 600°C, po czym ogrzewano jeszcze do 1500°C, żeby złączyć cząstki krzemionki w jednorodną strukturę. Metodą prób i błędów udało się opracować procedurę, za pomocą której wytworzono szklane mikrorusztowania, układy mikroprzepływowe i klarowne szklane płytki. W przyszłości może znaleźć zastosowanie w produkcji płaskich soczewek, których obróbka ma być znacznie tańsza od obróbki sferycznych odpowiedników (w przypadku płaskich soczewek właściwości optyczne związane są z odpowiednim rozmieszczeniem składników o różnym współczynniku załamania światła).

Jeszcze przed prezentacją drukarki z MIT, w 2015 roku, swoje wydruki ze szkła zaprezentował izraelski start-up Micron3DP. Co ciekawe, ich drukarka, pracująca również w technologii podobnej do FDM (choć w nieco niższej temperaturze: 1200-1600°C), charakteryzowała się nawet lepszą rozdzielczością od urządzenia z Massachusetts (wysokość warstwy w drukarce z MIT to 4000 μm, a drukarka Micron3DP mogła osiągnąć 100 μm). Izraelczycy sukcesywnie rozwijali swój projekt – w 2016 roku poinformowali, że ich drukarka zostanie prawdopodobnie wprowadzona do sprzedaży, a w 2017 roku kilka urządzeń Micron3DP trafiło do beta-testerów. Wtedy też ogłosili, że nawiązali współpracę z firmą Swarovski oraz Japońskim studiem projektowym TAKT Project i że mogą wydrukować szklane elementy na zamówienie dla każdego.

I… na tym się skończyło. Okazało się, że Micron3DP opracował innowacyjną technologię (nie wystarczyło przyczepić piec do drukarki FDM, potrzebne były też specjalne mechanizmy oraz skomplikowane oprogramowanie), która wzbudziła zainteresowanie mediów, ale nikt jej właściwie nie potrzebuje. Obecnie firma pracuje nad technologiami druku 3D z metalu.

Twórcy Micron3DP zakładali, że na rynku znajdzie się zapotrzebowanie na drukarkę do nieprzezroczystego szkła. Nawet jeśli nie nadaje się ono do produkcji elementów optycznych i szyb, posiada wiele innych korzystnych właściwości i można wykorzystać je np. do tworzenia układów mikroprzepływowych, których produkcja za pomocą drukarki 3D jest zdecydowanie łatwiejsza i szybsza od standardowych metod. Możliwe, że okazała się jednak za droga i zbyt skomplikowana.

Być może ludzie chcą komercyjnej drukarki do przezroczystego szkła. Dlaczego zatem nikt jeszcze takiej nie skonstruował? Drukowanie ze szkła może wydawać się podobne do druku z ceramiki, ale faktycznie technologia produkcji elementów z tych materiałów znacznie się różni. Ceramikę można otrzymać przez wypalenie plastycznej masy (gliny) albo proszku spojonego polimerem uzyskując materiał, który wykazuje pożądane właściwości, nawet jeśli nie jest całkowicie jednorodny (posiada mikropory, obszary w większym stopniu krystaliczne albo amorficzne).

Szkło jest plastyczne tylko w bardzo wysokiej temperaturze, a w przypadku prób druku technikami SLA albo DIW uzyskuje się cząstki krzemionki unieruchomione w polimerowej matrycy. W procesie wypalania surowych wydruków konieczne jest pozbycie się matrycy i spojenie cząstek SiO2 w jednorodną masę, co, zwłaszcza jeśli szklany element ma być przezroczysty, wymaga bardzo precyzyjnego dobrania warunków i jest znacznie trudniejsze od wypalania ceramiki. Teoretycznie możliwa jest obróbka szkła drukowanego w technologii FDMo-podobnej, tak by stało się przezroczyste, ale wygładzenie powierzchni wydruku wymaga żmudnego polerowania, stosowania diamentowych narzędzi i toksycznych odczynników.

W dalszym ciągu wiele firm i jednostek naukowych pracuje nad technologiami druku ze szkła. Drukarki do szkła znajdą zapewne zastosowanie w rękach artystów i mogą znacząco ułatwić produkcję naczyń o skomplikowanym kształcie, zaawansowanej optyki i układów mikroprzepływowych. Wbrew niektórym opiniom, nie obawiałbym się jednak, że druk szkła zastąpi kiedykolwiek hutników wydmuchujących szkło. W końcu zwykłe drukarki nie zastąpiły malarzy, a drukarki do metalu nie zastąpiły jubilerów.

Źródła: 3dprint.com, web.media.mit.edu, F Kotz et al. Nature (2017), DT Nguyen at al. Adv. Mater. (2017), www.3dprintingmedia.network

Obrazy: [0] [1] [2]

Udostępnij.

O autorze

Wojtek Lipiński

Chemik (organik) z zawodu i z zamiłowania, student Politechniki Łódzkiej. Entuzjasta klasycznej motoryzacji, nauki i techniki.