用柔性熱塑性聚合物進行3D打印光學(xué)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(xué)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(xué)（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(xué)行業(yè)中實現(xiàn)許多應(yīng)用。

光學(xué)器件的3D打印在為廣泛的應(yīng)用制造復(fù)雜的光學(xué)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(xué)材料進行印刷既具有挑戰(zhàn)性又成本高。在阿肯色大學(xué)，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(xué)材料對光學(xué)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(xué)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(xué)清晰度可以使其成為制造柔軟且可拉伸的光學(xué)器件的誘人材料，這在光學(xué)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(xué)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(xué)位。學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(biāo)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(xué)性能和靈活性為制造集成光學(xué)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(xué)器件兼容的材料來創(chuàng)建復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)。