3D-tulostettu lasi

Monenlaisia 3D-tulostimella luotuja lasiesineitä. Credit: Group for Complex Materials / ETH Zürich

ETH:n tutkijat käyttivät 3D-tulostusprosessia monimutkaisten ja erittäin huokoisten lasiesineiden tuottamiseen. Perustana on erityinen hartsi, joka voidaan kovettaa UV-valolla.

Lasiesineiden tuottaminen 3D-tulostuksen avulla ei ole helppoa. Vain muutamat tutkijaryhmät ympäri maailmaa ovat yrittäneet tuottaa lasia additiivisilla menetelmillä. Jotkut ovat valmistaneet esineitä tulostamalla sulaa lasia, mutta haittapuolena on, että tämä vaatii erittäin korkeita lämpötiloja ja kuumuutta kestäviä laitteita. Toiset ovat käyttäneet jauhemaisia keraamisia hiukkasia, jotka voidaan tulostaa huoneenlämmössä ja sintrata myöhemmin lasin valmistamiseksi; näin valmistetut esineet eivät kuitenkaan ole kovin monimutkaisia.

Zürichin teknillisen korkeakoulun ETH:n tutkijat ovat nyt käyttäneet uutta tekniikkaa monimutkaisten lasiesineiden valmistamiseksi 3D-tulostamalla. Menetelmä perustuu stereolitografiaan, joka on yksi ensimmäisistä 1980-luvulla kehitetyistä 3D-tulostustekniikoista. David Moore, Lorenzo Barbera ja Kunal Masania ETH:n prosessori André Studartin johtamassa Complex Materials -ryhmässä ovat kehittäneet erityisen hartsin, joka sisältää muovia ja orgaanisia molekyylejä, joihin lasin esiasteet on sidottu. Tutkijat raportoivat tuloksistaan Natural Materials -lehden uusimmassa numerossa.

Valoa käytetään esineiden ”kasvattamiseen”

Hartsia voidaan käsitellä kaupallisesti saatavilla olevalla Digital Light Processing -tekniikalla. Tällöin hartsia säteilytetään UV-valokuvioilla. Valon osuessa hartsiin se kovettuu, koska polymeerihartsin valoherkät komponentit ristikytkeytyvät altistuneissa kohdissa. Muovimonomeerit yhdistyvät muodostaen labyrinttimaisen rakenteen, joka muodostaa polymeerin. Keraamiset kantavat molekyylit täyttävät tämän labyrintin välit.

Kappale voidaan näin rakentaa kerros kerrokselta. Tutkijat voivat muuttaa eri parametreja kussakin kerroksessa, mukaan lukien huokosten kokoa: heikko valon voimakkuus johtaa suuriin huokosiin; voimakas valaistus tuottaa pieniä huokosia. ”Huomasimme tämän sattumalta, mutta voimme tämän avulla vaikuttaa suoraan tulostetun esineen huokoskokoon”, Masania sanoo.

3D-tulostetun lasin prosessi

Aihio (vasemmalla) poltetaan 600 asteessa muovisen kehyksen poistamiseksi. Toisessa polttovaiheessa esineestä tulee lasia (oikealla). Credit: Group for Complex Materials / ETH Zürich

Tutkijat pystyvät myös muokkaamaan mikrorakennetta kerros kerrokselta sekoittamalla piidioksidia boraatin tai fosfaatin kanssa ja lisäämällä sitä hartsiin. Tekniikalla voidaan valmistaa monimutkaisia esineitä eri lasityypeistä tai jopa yhdistellä niitä samassa esineessä.

Tutkijat polttavat tällä tavoin valmistetun aihion sitten kahdessa eri lämpötilassa: 600˚C:ssa polymeerirakenteen polttamiseksi pois ja sitten noin 1000˚C:ssa keraamisen rakenteen tiivistämiseksi lasiksi. Polttoprosessin aikana esineet kutistuvat merkittävästi, mutta niistä tulee läpinäkyviä ja kovia kuin ikkunalasista.

Patenttihakemus jätetty

Nämä 3D-tulostetut lasiesineet eivät ole vieläkään isompia kuin matriisi. Suuria lasiesineitä, kuten pulloja, juomalaseja tai ikkunalaseja, ei voida valmistaa tällä tavalla – mikä ei ollut varsinaisesti projektin tavoite, korostaa Masania.

Tavoitteena oli pikemminkin todistaa, että geometrialtaan monimutkaisten lasiesineiden valmistaminen 3D-tulostusprosessilla on mahdollista. Uusi teknologia ei kuitenkaan ole pelkkä kikka. Tutkijat hakivat patenttia ja neuvottelevat parhaillaan suuren sveitsiläisen lasitavarakauppiaan kanssa, joka haluaa käyttää teknologiaa yrityksessään.

Leave a comment

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.