用柔性熱塑性聚合物進行3D打印光學的新方法

來源：3D打印者

盡管需求量很大，但是大多數(shù)光學材料都很難使用最新的制造技術(shù)制造成所需的形狀，但是阿肯色大學（UARK）的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了一種新的基于微擠壓的3D打印方法，該方法可以可以與柔軟可拉伸的熱塑性聚合物一起使用，這種聚合物在商業(yè)上被稱為Clear Ballistic gel。這項新技術(shù)發(fā)明提供了一種廉價的方式，使常規(guī)的熔融沉積建模（FDM）打印機能夠使用防彈凝膠進行打印，防彈凝膠是一種新型材料，可以在國防，醫(yī)療和光學行業(yè)中實現(xiàn)許多應(yīng)用。

光學器件的3D打印在為廣泛的應(yīng)用制造復(fù)雜的光學器件方面具有巨大的潛力。然而，事實證明，使用諸如玻璃的常規(guī)光學材料進行印刷既具有挑戰(zhàn)性又成本高。在阿肯色大學，我們開發(fā)了一種新的低成本方法，用于使用柔軟且可拉伸的光學材料對光學設(shè)備進行3D打印，這為該特定領(lǐng)域打開了新的大門�！� 該方法和方法的共同創(chuàng)造者Edidiong Nseowo Udofia從UARK最近的機械工程專業(yè)博士研究生畢業(yè)。

根據(jù)Udofia和Whechao Zhou發(fā)表的論文UARK機械工程系的助理教授，盡管有許多用于3D打印熱塑性聚合物的商用FDM打印機，但由于其靈活性，目前沒有任何打印機與防彈凝膠兼容。為了解決這個問題，他們開發(fā)了一種低成本的基于注射器的打印頭，用于連續(xù)熔化和擠出防彈凝膠，然后在70°C左右開始熔化。定制設(shè)計的打印頭由一個30毫升的玻璃注射器和一個沉積噴嘴組成，該玻璃注射器用作墨水容器，一個沉積噴嘴，它們都裝在一個加熱的鋁室內(nèi)，以方便凝膠加熱和擠出。然后，他們將打印頭安裝到自己的自定義3D打印機上。首先將凝膠融化，然后通過使用數(shù)字閥控制沉積壓力將其推出噴嘴，

研究人員聲稱，打印頭是專門為避免堵塞而設(shè)計的。它還能夠以最小的變化將溫度保持在70至130°C之間，并且可以使用小于100微米（μm）的針頭尺寸進行打印。

“ Clear Ballistics膠是可商購的軟明膠材料，其主要市場是彈道測試。創(chuàng)建凝膠打印系統(tǒng)的想法應(yīng)運而生，這是由于醫(yī)療市場對制作用于手術(shù)前計劃，醫(yī)學研究，教育和培訓(xùn)的解剖模型的需求。由我的顧問周文超發(fā)起。然而，在我們的研究過程中，很明顯的是，凝膠的光學清晰度可以使其成為制造柔軟且可拉伸的光學器件的誘人材料，這在光學領(lǐng)域是一個全新的方向�！� Udofia繼續(xù)說道。

定制設(shè)計的打印頭和沉積噴嘴安裝在加熱的鋁腔室內(nèi)，有助于凝膠加熱和擠出

Udofia解釋說：“除了印刷Clear Ballistics明膠，從理論上講，我們小組開發(fā)的印刷系統(tǒng)還可以印刷任何可以在相對較低的溫度下熔化成液態(tài)的材料。”

這項研究是在位于阿肯色大學機械工程系的Advanced Manufacturing AM 3實驗室完成的，該實驗室自2015年以來一直是Udofia的博士學位。學生，并配備了光刻技術(shù)和FDM 3D打印機，CNC軋機，多材料3D打印機，3D掃描儀，高倍率顯微鏡等等。研究人員還提到，去年從AM 3實驗室剝離出來的初創(chuàng)公司AMBOTS已為此技術(shù)申請了專利。
他們基于微擠壓的3D打印機技術(shù)可以在露天打印凝膠，而無需支撐浴或支撐材料。根據(jù)Udofia的說法，現(xiàn)有的印刷光學方法需要在印刷過程中精心設(shè)計的支撐材料，或者在極端的后處理條件下使用，這使得這種方法非常適合各種應(yīng)用。

他們展示了它如何與一系列光學技術(shù)一起工作，包括獨特的藝術(shù)照明，平面和3D保形表面上的光波分束器和合路器電路，以及光學編碼器。他們還印刷了波導(dǎo)（用于傳輸電磁能的設(shè)備），并注意到它們顯示出超過98％的出色光學透明度。

與凝膠成型相比，凝膠印刷具有幾個優(yōu)勢，主要是可以以低成本，快速的周轉(zhuǎn)時間和易用性制造復(fù)雜的模型。

一些目標應(yīng)用包括將打印頭出售給擁有FDM打印機或FDM打印機供應(yīng)商（例如Ultimaker或Makerbot）的客戶，甚至提供具有熱塑性和凝膠打印功能的整套FDM打印機。

制造過程的簡單性，低成本，出色的光學性能和靈活性為制造集成光學器件提供了有吸引力的途徑，并為控制光提供了新的機會。世界各地的公司都在尋找低成本方法，以使用具有所需特性和與光學器件兼容的材料來創(chuàng)建復(fù)雜的光學結(jié)構(gòu)。