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L'impression 3D volumétrique permet de fabriquer de petites pièces en verre en quelques secondes

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Une nouvelle méthode d'impression 3D permet de fabriquer des pièces en verre en une seule fois plutôt que couche par couche.

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Le verre est de plus en plus utilisé dans la fibre optique, l'électronique grand public et la microfluidique pour les dispositifs de type "laboratoire sur puce". Malheureusement, la fabrication traditionnelle du verre peut être coûteuse et lente, et les petits objets en verre imprimés en 3D ont des surfaces rugueuses, ce qui les rend inadaptés aux lentilles.

Pour résoudre ces problèmes, une équipe de recherche du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et de l'université de Californie à Berkeley a mis au point une nouvelle méthode d'impression 3D appelée fabrication additive volumétrique (VAM). L'équipe a utilisé le VAM pour imprimer des objets en verre de silice microscopiques, délicats et sans couche dans des pièces en verre de silice en quelques secondes ou minutes seulement.

Le VAM repose sur la lithographie axiale calculée (CAL), une technologie basée sur la tomographie calculée, un outil d'imagerie médicale. La CAL calcule des projections sous de nombreux angles sur un modèle de la pièce à fabriquer. Elle utilise ensuite le meilleur ensemble de projections pour guider la lumière des LED dans une cuve rotative de résine photosensible. Au fil du temps, les faisceaux lumineux établissent une distribution lumineuse en 3D dans la résine et la durcissent pendant que la cuve tourne. L'objet entièrement formé se matérialise en quelques secondes seulement, bien plus rapidement que l'impression 3D traditionnelle couche par couche. La cuve est vidée pour récupérer la pièce.

La nouvelle technique VAM à l'échelle microscopique de l'équipe utilise un laser au lieu d'une LED, et une résine de verre nanocomposite mise au point en Allemagne par Glassomer et l'université de Fribourg. L'équipe a tiré parti de la puissance lumineuse supérieure du laser et de la nouvelle résine pour fabriquer rapidement des objets en verre robustes et à microstructure complexe, avec une rugosité de surface de seulement 6 nm et des caractéristiques aussi petites que 50 µm.

"Les objets en verre ont tendance à se briser plus facilement lorsqu'ils contiennent plus de défauts ou de fissures ou ont une surface rugueuse", explique Hayden Taylor, professeur à Berkeley. "La capacité du VAM à fabriquer des objets avec des surfaces plus lisses que les autres procédés d'impression 3D constitue donc un avantage potentiel majeur."

L'équipe a comparé la résistance à la rupture du verre construit avec VAM par rapport à des objets de même taille fabriqués par une impression 3D plus conventionnelle basée sur des couches. Il s'avère que les charges de rupture des structures imprimées avec le VAM sont plus étroitement regroupées, ce qui signifie que les chercheurs pourraient avoir plus confiance dans la charge de rupture des composants imprimés avec le VAM par rapport à ceux fabriqués avec des techniques conventionnelles. Le VAM produit également des surfaces extrêmement lisses sans artefacts de superposition, ce qui permet une impression plus rapide sans post-traitement supplémentaire.

"Vous pouvez imaginer essayer de créer ces petites micro-optiques et ces microarchitectures complexes en utilisant les techniques de fabrication standard ; c'est vraiment impossible", a déclaré M. Cook. "Et le fait de pouvoir imprimer des pièces prêtes à l'emploi sans avoir à les polir permet de gagner beaucoup de temps et d'argent."

Selon les chercheurs, le verre imprimé par VAM devrait permettre de fabriquer des dispositifs en verre massif dotés de caractéristiques microscopiques, de fabriquer des composants optiques avec une plus grande liberté géométrique et à des vitesses plus élevées, et éventuellement d'ajouter de nouvelles fonctions ou de réduire les coûts.

Les applications dans le monde réel pourraient inclure les micro-optiques dans les caméras de haute qualité, l'électronique grand public, l'imagerie biomédicale, les capteurs chimiques, les casques de réalité virtuelle, les microscopes avancés et la microfluidique avec des géométries 3D difficiles comme les "laboratoires sur puce" De plus, les propriétés bénignes du verre se prêtent bien aux applications biomédicales ainsi qu'à celles qui doivent résister à des températures élevées ou à une exposition chimique.

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