Pour les technologies de photonique, de détection et d'imagerie de nouvelle génération, la capacité d'imprimer du verre en 3D est essentielle pour développer des structures hautement complexes, de forme libre ou à petite échelle. Pourtant, il s'est avéré difficile d'imprimer du verre en 3D, qui a un point de fusion élevé au-dessus de 1400 ° C, tout en conservant ses propriétés chimiques, mécaniques et optiques uniques.
Les progrès récents ont non seulement abouti au succès de l'impression 3D du verre, avec des propriétés et une forme identiques à celles du verre commercial, mais également au développement de technologies d'impression 3D spécifiques pour imprimer des structures de verre à une échelle et à une complexité jamais possibles auparavant – et avec des propriétés optiques. L'un d'eux est OptoGlass3D, une nouvelle méthode d'impression 3D du verre développée par Glassomer GmbH et Nanoscribe GmbH, et dirigée par le professeur Bastian Rapp de l'Université de Fribourg et directeur de NeptunLab.
Images gracieuseté de KIT, NeptunLab
Le projet OptoGlass3D est financé par une subvention d'un an de 100000 € d'ATTRACT, une initiative collaborative réunissant les communautés de recherche, d'industrie et d'investissement en Europe pour développer la prochaine génération de solutions de détection et d'imagerie, en rationalisant les innovations de rupture et en utilisant de nouvelles , des modèles d'innovation ouverte à grande échelle. ATTRACT est à son tour financé par le programme européen Horizon 2020 et a jusqu'à présent octroyé des subventions à 170 projets axés sur l'innovation de rupture.
En 2017, des chercheurs de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont développé une méthode de stérélithographie (SLA) pour imprimer du verre en 3D, à haute résolution, à quelques dizaines de micromètres, voire 150 à 500 nanomètres (seulement dix fois la taille des particules de silice. ). En utilisant un polymère photodurcissable infusé avec une encre de nanopoudre de verre comme matériau, cette méthode pourrait imprimer en 3D à température ambiante et produire des objets avec des propriétés optiques, de surface et de composition comparables au verre de silice fondu commercial. Leur recherche, publiée dans Nature, a été dirigée par Frederik Kotz et Bastian Rapp, qui ont fondé Glassomer GmbH en 2018 pour produire et fournir des Glassomers, une nouvelle gamme de matériaux pouvant également être utilisée par toute imprimante 3D SLA standard. comme la méthode «Liquid Glass» pour traiter le verre de silice fondu imprimé en 3D comme un polymère.
Bientôt, l'entreprise a remporté le Formnext 2019 Start-Up Challenge, parmi plusieurs récompenses pour son innovation dans le verre d'impression 3D. Ce matériau de verre liquide, un nanocomposite contenant un matériau de silice amorphe, peut être utilisé pour imprimer en 3D presque n'importe quel type d'objet en verre (avec des propriétés exactement comme celles du verre de silice fondu commercial) avec une résolution de caractéristiques de quelques dizaines de micromètres et une rugosité de surface en quelques nanomètres.
Expliquant la pertinence de ces avancées, Kotz, directeur scientifique de Glassomer, a déclaré:
«Normalement, ces choses sont faites avec des polymères, mais les polymères n'ont pas l'opacité et la résistance aux températures extrêmes et aux produits chimiques offertes par le verre de haute pureté. Une opacité élevée est importante pour le traitement optique des données, ainsi que pour les lasers de haute puissance, qui nécessitent également des matériaux résistants à la chaleur; tandis que diverses applications industrielles et scientifiques ont besoin de matériaux capables de résister aux produits chimiques dangereux. Les gens ont toujours voulu utiliser du verre dans ces applications, mais cela n'a pas toujours été possible, car la mise en forme avec ces hautes résolutions n'était pas possible. Le verre pur – le dioxyde de silicium – fond à des températures si élevées qu'il est difficile de créer des moules solides pour lui, et le verre de moindre pureté n'a pas les propriétés souhaitées. Ces utilisations industrielles nécessitent également des structures beaucoup plus petites et plus complexes que les autres méthodes de mise en forme du verre. »
Images gracieuseté de KIT et NeptunLab
Le processus se compose de deux étapes dans lesquelles le composite est d'abord imprimé en 3D, puis chauffé et fritté à 600 ° C et 1300 ° C respectivement pour laisser un objet en verre entièrement transparent, uniforme et non poreux.
Images gracieuseté de KIT et NeptunLab, Glassomer, Nanoscribe
En collaboration avec Nanoscribe et Glassomer, le projet OptoGlass3D développera des matériaux spécifiques pour la technologie 2PP et cherchera ensuite à commercialiser le matériau. Comme l'indique l'objectif du projet:
«Au cours de ce projet, le consortium développera des formulations LiquidGlass qui peuvent être structurées via le processus 2PP de Nanoscribe ainsi que les conditions de processus requises, les paramètres et (potentiellement) les adaptations instrumentales. Sur la base de la formulation du procédé LiquidGlass, des modifications seront développées qui permettront de générer des verres optiques avec des propriétés optiques réglables telles que l'indice de réfraction qui sera rendu réglable dans une plage de = 1,46 à = 1,50. La validation de la capacité de la technologie sera mise en valeur par la fabrication d'échantillons de démonstration traitant du potentiel des composants en verre pour des optiques diffractives à réfraction ajustable et à haute résolution.
Les premières approches de l'impression 3D sur verre ont exploré l'utilisation de poudres de verre dans un système de frittage. Cela a continué d'évoluer et en 2015, Micron3DP, basé en Israël, a annoncé son système d'impression 3D à haute température basé sur l'extrusion pour le verre. Cependant, ceux-ci étaient limités en raison de problèmes de porosité et d'uniformité des structures de verre. En raison de l'absence d'un marché important à l'époque, la société a arrêté le produit.
Suite à cela, de nouveaux progrès ont été réalisés dans l'impression 3D sur verre par des chercheurs du MIT, qui ont développé une imprimante basée sur l'extrusion pour le verre fondu: la G3DP et la G3DP2 améliorée, conçue pour la production industrielle. En raison de la résolution limitée de ce verre imprimé en 3D, il ne conviendrait pas aux applications de haute technologie nécessitant une résolution élevée et des microstructures précises. Pourtant, il a permis la fabrication de pièces complexes et personnalisées qui ne pouvaient être fabriquées qu'à l'aide de l'impression 3D, et celles-ci pouvaient être appliquées dans la conception esthétique et l'architecture, et ces pièces étaient exposées à la Milan Design Week en 2017.
En 2017, au Lawrence Livermore National Laboratory, une méthode d'écriture directe à l'encre a été développée pour imprimer du verre à température ambiante, permettant des pièces à plus haute résolution avec une meilleure uniformité optique. Avec cela, il est devenu possible d'adapter les propriétés et la composition du verre, permettant par exemple l'impression de verre avec des indices de réfraction différents dans une seule optique plate. En 2019, une recherche publiée dans Optical Materials Express par des chercheurs de l'Université Laval au Canada a démontré une méthode à base de filament pour imprimer en 3D du verre de chalcogénure avec des géométries complexes, qui a une portée énorme dans les applications de capteurs infrarouges et d'imagerie dans la défense et la sécurité, la biomédecine, les télécommunications et plus. De telles avancées, notamment OptoGlass3D, ont ouvert une gamme d'applications et de possibilités novatrices avec le verre imprimé en 3D, en particulier dans la prochaine génération d'optiques, de capteurs, d'imagerie et de dispositifs microfluidiques de forme libre.
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