На 3D-принтере научились печатать стекла разных составов

Швейцарские ученые разработали метод 3D-печати, позволяющий печатать стеклянные предметы со сложной структурой, используя разные материалы, но не используя при этом нагрев до высокой температуры во время печати, чего не позволяют делать другие методы. Статья опубликована в Nature Materials.

3D-печать чаще всего используют в двух случаях: когда необходимо быстро создать предмет необходимой формы, не создавая под него отлаженный производственный процесс с дорогими пресс-формами и другим оборудованием, либо когда необходимо изготовить деталь со сложной структурой, которую дороже создавать отливкой или другими классическими методами. Для вторых случаев инженеры уже достаточно давно разрабатывают принтеры, печатающие не полимерами, а другими материалами, в том числе, керамикой, стеклом, и даже шоколадом.

Однако стекло, керамика и другие подобные материалы неудобно применять в 3D-печати из-за высокой температуры плавления. В качестве решения некоторые группы ученых предложили сначала печатать заготовку из прекурсора стекла, а затем проводить высокотемпературный отжиг, чтобы принтер не нужно было адаптировать к высокой температуре. До сих пор такие методы демонстрировали только с оксидом кремния, но теперь появился более универсальный метод.

Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха под руководством Андрэ Штударта (Andre Studart) научились применять схожий принцип для составов из разных оксидов. Исследователи воспользовались методом цифровой обработки света (DLP) — используется раствор с фотоотверждаемыми полимерными прекурсорами, который освещается в нужных местах светом, благодаря чему в жидком растворе образуется твердый предмет.

Авторы использовали различные растворы, состоящие из неорганического алкоголятного прекурсора для создания стекла, фотоактивного мономера и светопоглощающего вещества. Составы были подобраны таким образом, что изначально компоненты находятся в области растворимости диаграммы состояния системы, но после фотополимеризации переходят в область неполной смешиваемости. В результате происходит спинодальный распад и две фазы (оксидный прекурсор и полимер) разделяются, образуя взаимнонепрерывную сетевую структуру.

После полимеризации предмет необходимо подвергнуть пиролизу, при котором полимерная часть выгорает, а стеклянная остается, причем на этом этапе стеклянное изделие получается пористым, с порами размером менее микрометра. Если необходимо получить прозрачное стекло, его нужно дополнительно подвергнуть спеканию до получения сплошной и прозрачной структуры. Прозрачность стекла, получаемого после спекания, составляет примерно 85 процентов. Измерения показали, что после спекания относительная плотность такого стекла составляет 98 процентов.

В качестве примера исследователи напечатали множество сложных структур, большинство из которых представляет собой объемную сетку с тонкими элементами. Кроме того, ученые продемонстрировали универсальность метода, напечатав не только силикатное стекло, но также боратное и фосфатное.

3D-печать стеклянных структур с небольшими размерами элементов может найти применение в микрофлюидике. В 2017 году американские исследователи научились печатать на 3D-принтере рекордно малые полимерные микрофлюидные каналы с сечением 18 на 10 квадратных микрометров.

Григорий Копиев