โครงสร้างแก้วขนาดเล็กและซับซ้อน พิมพ์ 3 มิติอย่างรวดเร็วโดยใช้รังสีของแสง



นักวิจัยที่ UC Berkeley ได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการพิมพ์ 3 มิติโครงสร้างจุลภาคของแก้วที่ซับซ้อน ซึ่งรวมถึงโครงสร้างตาข่ายเตตระไคเดคาฮีดรอน (Credit: Adam Lau/ UC Berkeley)
นักวิจัยที่ UC Berkeley ได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการพิมพ์ 3 มิติโครงสร้างจุลภาคของแก้วที่ซับซ้อน ซึ่งรวมถึงโครงสร้างตาข่ายเตตระไคเดคาฮีดรอน (Credit: Adam Lau/ UC Berkeley)

วิธีการใหม่ของ ‘โครงสร้างจุลภาค’ ของแก้วพิมพ์ 3 มิตินั้นเร็วกว่าและสร้างวัตถุที่มีคุณภาพทางแสงที่สูงขึ้น ความยืดหยุ่นในการออกแบบและความแข็งแรงตามที่นักพัฒนาที่ UC Berkeley ในแคลิฟอร์เนียกล่าว

การทำงานร่วมกับนักวิทยาศาสตร์จาก Albert Ludwig University of Freiburg ประเทศเยอรมนี นักวิจัยได้ขยายขีดความสามารถของกระบวนการพิมพ์ 3 มิติที่พวกเขาพัฒนาขึ้นเมื่อ 3 ปีที่แล้ว – การคำนวณภาพพิมพ์หินในแนวแกน (CAL) เพื่อพิมพ์คุณสมบัติที่ละเอียดกว่าและพิมพ์ในแก้ว พวกเขาเรียกระบบใหม่ว่า ‘micro-CAL’

แก้วเป็นวัสดุที่นิยมใช้ในการสร้างวัตถุด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่ซับซ้อน รวมถึงเลนส์ในกล้องคอมแพคคุณภาพสูงที่ใช้ในสมาร์ทโฟนและเอนโดสโคป ตลอดจนอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกที่ใช้ในการวิเคราะห์ของเหลวในปริมาณเล็กน้อย วิธีการผลิตในปัจจุบันอาจช้า มีราคาแพง และจำกัดความสามารถในการตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นของอุตสาหกรรม

แตกต่างจากกระบวนการผลิตการพิมพ์ 3 มิติทางอุตสาหกรรมทั่วไป ซึ่งมักจะใช้เวลานานและส่งผลให้พื้นผิวขรุขระ CAL พิมพ์วัตถุทั้งหมดพร้อมกัน นักวิจัยใช้เลเซอร์เพื่อฉายรูปแบบของแสงให้เป็นปริมาตรที่หมุนได้ของวัสดุที่ไวต่อแสง โดยสร้าง ‘ปริมาณแสง’ 3 มิติที่แข็งตัวในรูปร่างที่ต้องการ กระบวนการ CAL แบบไม่มีชั้นช่วยให้พื้นผิวเรียบและรูปทรงที่ซับซ้อนได้

การศึกษาใหม่ได้ผลักดันขอบเขตของ CAL เพื่อแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการพิมพ์คุณสมบัติไมโครสเกล “เมื่อเราเผยแพร่วิธีการนี้ครั้งแรกในปี 2019 CAL สามารถพิมพ์วัตถุให้เป็นพอลิเมอร์โดยมีลักษณะเฉพาะที่มีขนาดเหลือประมาณหนึ่งในสามของขนาดมิลลิเมตร” เฮย์เดน เทย์เลอร์ ผู้วิจัยหลัก ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของ UC Berkeley กล่าว “ตอนนี้ด้วย micro-CAL เราสามารถพิมพ์วัตถุในโพลีเมอร์ที่มีคุณสมบัติต่างๆ ได้ลึกถึง 20 ในล้านส่วนเมตร หรือประมาณหนึ่งในสี่ของความกว้างของเส้นผมมนุษย์ และเป็นครั้งแรกที่เราได้แสดงให้เห็นว่าวิธีการนี้สามารถพิมพ์ได้ไม่เฉพาะในพอลิเมอร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงในแก้วด้วย โดยมีคุณสมบัติที่ลดลงเหลือประมาณ 50 ล้านส่วนของเมตร”

ในการพิมพ์แก้ว เทย์เลอร์และทีมวิจัยของเขาร่วมมือกับนักวิทยาศาสตร์จากอัลเบิร์ต ลุดวิก ผู้พัฒนาวัสดุเรซินที่มีอนุภาคนาโนของแก้วล้อมรอบด้วยของเหลวสารยึดเกาะที่ไวต่อแสง การฉายแสงดิจิตอลจากเครื่องพิมพ์ทำให้สารยึดเกาะแข็งตัว จากนั้นนักวิจัยจึงให้ความร้อนกับวัตถุที่พิมพ์เพื่อเอาสารยึดเกาะออกและหลอมอนุภาคเข้าด้วยกันเป็นวัตถุแข็งของแก้วบริสุทธิ์

“ปัจจัยสำคัญที่นี่คือสารยึดเกาะมีดัชนีการหักเหของแสงที่แทบเหมือนกับดัชนีของกระจก ดังนั้นแสงจะผ่านเข้าไปในวัสดุโดยแทบไม่มีการกระเจิง” เทย์เลอร์กล่าว “กระบวนการพิมพ์ของ CAL และ ‘แก้ว’ ซึ่งเป็นวัสดุที่พัฒนาโดย GmbH นั้นเหมาะสมกันที่สุด”

ทีมวิจัยซึ่งรวมถึงผู้เขียนนำโจเซฟ ทูมบ์ส นักศึกษาระดับปริญญาเอกในห้องปฏิบัติการของเทย์เลอร์ ได้ทำการทดสอบและพบว่าวัตถุแก้วที่พิมพ์ด้วย CAL มีความแข็งแรงสม่ำเสมอมากกว่าที่ทำโดยใช้กระบวนการพิมพ์แบบเลเยอร์ทั่วไป “วัตถุที่เป็นแก้วมักจะแตกหักง่ายกว่าเมื่อมีตำหนิหรือรอยแตกมากขึ้น หรือมีพื้นผิวที่ขรุขระ” เทย์เลอร์กล่าว “ความสามารถของ CAL ในการสร้างวัตถุที่มีพื้นผิวเรียบกว่ากระบวนการพิมพ์ 3 มิติแบบใช้เลเยอร์อื่น ๆ จึงเป็นข้อได้เปรียบที่มีศักยภาพอย่างมาก”

วิธีการพิมพ์ CAL 3D ช่วยให้ผู้ผลิตวัตถุแก้วด้วยกล้องจุลทรรศน์มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการตอบสนองความต้องการของลูกค้าในด้านเรขาคณิต ขนาด และคุณสมบัติทางแสงและทางกล นักวิจัยกล่าว ซึ่งรวมถึงผู้ผลิตส่วนประกอบทางแสงด้วยกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของกล้องคอมแพค หูฟังเสมือนจริง กล้องจุลทรรศน์ขั้นสูง และเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์อื่นๆ “ความสามารถในการทำให้ส่วนประกอบเหล่านี้เร็วขึ้นและมีอิสระทางเรขาคณิตมากขึ้น อาจนำไปสู่ฟังก์ชันอุปกรณ์ใหม่หรือผลิตภัณฑ์ที่มีต้นทุนต่ำ” เทย์เลอร์กล่าว

ช่องไมโครฟลูอิดิกยังจำเป็นสำหรับระบบ ‘lab-on-a-chip’ สำหรับการวิจัยและการวินิจฉัยทางการแพทย์ จนถึงขณะนี้ ส่วนใหญ่ทำมาจากพลาสติก แต่มักไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงและสารเคมีที่มีฤทธิ์รุนแรงได้ Frederik Kotz-Helmer นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุของ Freiburg กล่าวว่ากระบวนการใหม่นี้ทำให้ระบบช่องสัญญาณที่ซับซ้อนได้ผลิตขึ้นจากแก้ว: “ต้องขอบคุณความเสถียรทางความร้อนและสารเคมีของแก้ว ขอบเขตการใช้งานใหม่ๆ มากมายจึงเปิดกว้างขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านเคมี on-a – การสังเคราะห์ชิป”

การศึกษาได้รับทุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสหรัฐ สภาวิจัยแห่งยุโรป มูลนิธิคาร์ล ไซส์ มูลนิธิวิจัยเยอรมัน และกระทรวงพลังงานสหรัฐ

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ใน ศาสตร์.


ต้องการเรื่องราวด้านวิศวกรรมที่ดีที่สุดที่ส่งตรงถึงกล่องจดหมายของคุณใช่หรือไม่ จดหมายข่าว Professional Engineering ให้ข้อมูลอัปเดตที่สำคัญเกี่ยวกับวิศวกรรมที่ล้ำหน้าที่สุดและโอกาสงานใหม่ที่น่าตื่นเต้น หากต้องการลงทะเบียนคลิกที่นี่

เนื้อหาที่เผยแพร่โดย Professional Engineering ไม่ได้แสดงถึงมุมมองของสถาบันวิศวกรเครื่องกลเสมอไป

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*