«Изготовление оптического волокна из диоксида кремния включает трудоемкий процесс прядения трубок на токарном станке, который требует точного центрирования сердцевины или сердцевин волокна», – пояснил Джон Каннинг, возглавлявший исследовательскую группу из Технологического университета в Сиднее. "При аддитивном производстве нет необходимости центрировать геометрию волокна. Это устраняет одно из самых серьезных ограничений в конструкции волокна и значительно снижает стоимость производства волокна."
В журнале Оптического общества (OSA) Optics Letters группа Каннинга в сотрудничестве с исследовательской группой Gang-Ding Peng из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее сообщает о первых волокнах из кварцевого стекла, вытянутых из преформ, напечатанных на 3D-принтере.
«Подходы аддитивного производства, такие как 3D-печать, хорошо подходят для изменения всего подхода к дизайну и назначению волокна», – сказал Каннинг. «Это могло бы, например, расширить область применения волоконно-оптических датчиков, которые намного превосходят электронные эквиваленты с точки зрения долговечности, калибровки и обслуживания, но не получили широкого распространения из-за их дорогостоящего изготовления."
Перевод полимерной 3D-печати в стекло
Новое достижение основано на более ранней работе, в которой исследователи использовали полимерный материал для демонстрации первого волокна, вытянутого из преформы, напечатанной на 3D-принтере. Применение этого подхода к диоксиду кремния оказалось сложной задачей из-за огромных проблем с материалами, включая высокие температуры – более 1900 градусов по Цельсию – необходимые для 3D-печати стекла.
«Благодаря новой комбинации материалов и интеграции наночастиц мы показали, что можно печатать на 3D-принтере преформу из диоксида кремния», – сказал Каннинг. «Мы ожидаем, что этот прогресс вызовет волну активности, включая другие подходы к аддитивному производству, чтобы ускорить развитие этой области."
В новой работе исследователи использовали имеющийся в продаже 3D-принтер с прямой проекцией света. Этот тип аддитивного производства чрезвычайно точен и обычно используется для создания полимерных объектов с использованием цифрового светового проектора для полимеризации фотореактивных мономеров. Чтобы создать объект из диоксида кремния, исследователи добавили наночастицы диоксида кремния в мономер в количестве 50 процентов или более по весу.
Они разработали цилиндрический объект, напечатанный на 3D-принтере, с отверстием для сердечника. Затем они вставили аналогичную смесь полимера и наночастиц в отверстие, на этот раз добавив германосиликат к наночастицам кремнезема, чтобы создать более высокий показатель преломления.
Таким образом, становится возможной интеграция ряда легирующих добавок.
Затем исследователи использовали уникальную стадию нагрева, называемую очисткой от связующего, чтобы удалить полимер и оставить только наночастицы кремнезема, которые удерживаются вместе межмолекулярными силами.
Наконец, повышение температуры сплавляло наночастицы в твердую структуру, которую можно было вставить в вытяжную колонну, где она нагревается и вытягивается для создания оптического волокна.
Исследователи использовали свою новую технику для изготовления преформы, эквивалентной стандартному германосиликатному волокну, которую можно было бы использовать для создания многомодовых или одномодовых волокон, в зависимости от условий вытяжки.
Хотя они действительно наблюдали высокие световые потери в первоначально изготовленных оптических волокнах, с тех пор они определили причины этих потерь и работают над их устранением.
«Новая технология показала себя на удивление хорошо, и ее можно применять в различных процессах обработки стеклянных материалов для улучшения других типов оптических компонентов», – сказал Каннинг. «С дальнейшими улучшениями, направленными на ограничение световых потерь, этот новый подход потенциально может заменить традиционный токарный метод изготовления оптических волокон из диоксида кремния. Это не только снизило бы затраты на изготовление и материалы, но и снизило бы затраты на рабочую силу, поскольку снизилось бы обучение и риски."
Исследователи заинтересованы в сотрудничестве с крупной коммерческой компанией по производству волокна для улучшения и коммерциализации технологии.
Они также планируют изучить другие методы ускорения 3D-печати, доработав ее для различных приложений.