用柔性热塑性聚合物进行3D打印光学的新方法

来源：3D打印者

尽管需求量很大，但是大多数光学材料都很难使用最新的制造技术制造成所需的形状，但是阿肯色大学（UARK）的研究人员现在已经开发出了一种新的基于微挤压的3D打印方法，该方法可以可以与柔软可拉伸的热塑性聚合物一起使用，这种聚合物在商业上被称为Clear Ballistic gel。这项新技术发明提供了一种廉价的方式，使常规的熔融沉积建模（FDM）打印机能够使用防弹凝胶进行打印，防弹凝胶是一种新型材料，可以在国防，医疗和光学行业中实现许多应用。

光学器件的3D打印在为广泛的应用制造复杂的光学器件方面具有巨大的潜力。然而，事实证明，使用诸如玻璃的常规光学材料进行印刷既具有挑战性又成本高。在阿肯色大学，我们开发了一种新的低成本方法，用于使用柔软且可拉伸的光学材料对光学设备进行3D打印，这为该特定领域打开了新的大门。” 该方法和方法的共同创造者Edidiong Nseowo Udofia从UARK最近的机械工程专业博士研究生毕业。

根据Udofia和Whechao Zhou发表的论文UARK机械工程系的助理教授，尽管有许多用于3D打印热塑性聚合物的商用FDM打印机，但由于其灵活性，目前没有任何打印机与防弹凝胶兼容。为了解决这个问题，他们开发了一种低成本的基于注射器的打印头，用于连续熔化和挤出防弹凝胶，然后在70°C左右开始熔化。定制设计的打印头由一个30毫升的玻璃注射器和一个沉积喷嘴组成，该玻璃注射器用作墨水容器，一个沉积喷嘴，它们都装在一个加热的铝室内，以方便凝胶加热和挤出。然后，他们将打印头安装到自己的自定义3D打印机上。首先将凝胶融化，然后通过使用数字阀控制沉积压力将其推出喷嘴，

研究人员声称，打印头是专门为避免堵塞而设计的。它还能够以最小的变化将温度保持在70至130°C之间，并且可以使用小于100微米（μm）的针头尺寸进行打印。

“ Clear Ballistics胶是可商购的软明胶材料，其主要市场是弹道测试。创建凝胶打印系统的想法应运而生，这是由于医疗市场对制作用于手术前计划，医学研究，教育和培训的解剖模型的需求。由我的顾问周文超发起。然而，在我们的研究过程中，很明显的是，凝胶的光学清晰度可以使其成为制造柔软且可拉伸的光学器件的诱人材料，这在光学领域是一个全新的方向。” Udofia继续说道。

定制设计的打印头和沉积喷嘴安装在加热的铝腔室内，有助于凝胶加热和挤出

Udofia解释说：“除了印刷Clear Ballistics明胶，从理论上讲，我们小组开发的印刷系统还可以印刷任何可以在相对较低的温度下熔化成液态的材料。”

这项研究是在位于阿肯色大学机械工程系的Advanced Manufacturing AM 3实验室完成的，该实验室自2015年以来一直是Udofia的博士学位。学生，并配备了光刻技术和FDM 3D打印机，CNC轧机，多材料3D打印机，3D扫描仪，高倍率显微镜等等。研究人员还提到，去年从AM 3实验室剥离出来的初创公司AMBOTS已为此技术申请了专利。
他们基于微挤压的3D打印机技术可以在露天打印凝胶，而无需支撑浴或支撑材料。根据Udofia的说法，现有的印刷光学方法需要在印刷过程中精心设计的支撑材料，或者在极端的后处理条件下使用，这使得这种方法非常适合各种应用。

他们展示了它如何与一系列光学技术一起工作，包括独特的艺术照明，平面和3D保形表面上的光波分束器和合路器电路，以及光学编码器。他们还印刷了波导（用于传输电磁能的设备），并注意到它们显示出超过98％的出色光学透明度。

与凝胶成型相比，凝胶印刷具有几个优势，主要是可以以低成本，快速的周转时间和易用性制造复杂的模型。

一些目标应用包括将打印头出售给拥有FDM打印机或FDM打印机供应商（例如Ultimaker或Makerbot）的客户，甚至提供具有热塑性和凝胶打印功能的整套FDM打印机。

制造过程的简单性，低成本，出色的光学性能和灵活性为制造集成光学器件提供了有吸引力的途径，并为控制光提供了新的机会。世界各地的公司都在寻找低成本方法，以使用具有所需特性和与光学器件兼容的材料来创建复杂的光学结构。