Un nuevo proceso permite imprimir en 3D componentes pequeños y complejos de vidrio en pocos minutos
Las posibles aplicaciones de la nueva tecnología de proceso son los componentes microópticos de los sensores, los microscopios o los sistemas lab-on-a-chip
Debido a su extraordinaria transparencia y a su estabilidad en contacto con el calor o los productos químicos, el vidrio es importante para muchas aplicaciones de alta tecnología. Sin embargo, los procesos convencionales para dar forma al vidrio suelen ser tediosos, consumen mucha energía y alcanzan rápidamente sus límites para componentes pequeños y complicados. Los científicos de materiales de Friburgo, el Dr. Frederik Kotz-Helmer y el Prof. Dr. Bastian E. Rapp, en colaboración con la Universidad de California en Berkeley (EE.UU.), han desarrollado un novedoso proceso que permite fabricar componentes muy pequeños a partir de vidrio transparente de forma rápida y precisa mediante microimpresión 3D. Entre las posibles aplicaciones se encuentran los componentes para sensores y microscopios, pero también para sistemas lab-on-a-chip. Los investigadores han podido publicar sus resultados en el número actual de la revista Science.
Fotografía de una estructura reticular de tetrakaidecaedro.
University of California, Berkeley
Polvo de vidrio en un aglutinante de plástico
La nueva tecnología se basa en los llamados materiales Glassomer, que Kotz-Helmer y Rapp desarrollaron en el Departamento de Ingeniería de Microsistemas (IMTEK) de la Universidad de Friburgo. "Los materiales Glassomer consisten en polvo de vidrio en un aglutinante plástico especial", dice Kotz-Helmer, "lo que permite procesar el vidrio como un plástico". Los componentes resultantes se introducen en un horno, lo que hace que el plástico se queme y el vidrio se sinterice, es decir, se densifique. "Al final, los componentes están formados por un cien por cien de vidrio de sílice fundido altamente transparente", dice Kotz-Helmer.
El componente se crea en un solo paso
Los científicos de Friburgo han combinado ahora los materiales de Glassomer con un nuevo proceso de impresión 3D desarrollado por un equipo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Hayden Taylor de la Universidad de California, Berkeley. Las impresoras 3D convencionales imprimen sus objetos capa por capa. Sin embargo, en el nuevo proceso, denominado litografía axial computarizada (CAL), el componente se crea en un solo paso. Un recipiente que contiene material líquido sensible a la luz se expone a imágenes luminosas bidimensionales del objeto que se va a imprimir desde muchos ángulos diferentes. Cuando las imágenes se superponen y la cantidad de luz absorbida supera localmente un determinado umbral, el material se endurece bruscamente y en pocos minutos se forma el componente. El material sobrante, aún líquido, puede eliminarse con un lavado.
Estructuras con el grosor de un solo pelo
"En principio, este proceso también funciona con material de Glassomer", dice Kotz-Helmer. Para ello, los científicos de Friburgo desarrollaron un material hecho de polvo de vidrio y plástico que es a la vez muy transparente y se endurece rápidamente a un valor umbral adecuado. "El diablo estaba en los detalles químicos", dice el científico de materiales. Además, hasta ahora el proceso CAL sólo era adecuado para estructuras relativamente gruesas. Gracias a la combinación de los conocimientos de la ciencia de los materiales de la Universidad de Friburgo y del socio del proyecto Glassomer GmbH, una empresa derivada de Friburgo, así como al perfeccionamiento de la tecnología del sistema en la Universidad de California, ahora ha sido posible combinar y mejorar estas tecnologías. "Por primera vez, hemos podido imprimir vidrio con estructuras del orden de 50 micrómetros en sólo unos minutos, lo que corresponde aproximadamente al grosor de un cabello", afirma Kotz-Helmer. "Además, las superficies de los componentes son más lisas que con los procesos de impresión 3D convencionales".
El vidrio como sustituto del plástico vulnerable
Kotz-Helmer ve posibles aplicaciones para el innovador proceso de fabricación, por ejemplo, en componentes microópticos de sensores, auriculares de realidad virtual y modernos microscopios: "La capacidad de fabricar estos componentes a gran velocidad y con gran libertad geométrica permitirá nuevas funciones y productos más rentables en el futuro".
Los canales microfluídicos también son necesarios para los llamados sistemas lab-on-a-chip para la investigación y el diagnóstico médico. Hasta ahora, la mayoría de ellos estaban hechos de plástico, pero a menudo no pueden resistir las altas temperaturas y los productos químicos agresivos. Gracias a la nueva tecnología de proceso, ahora se pueden fabricar complejos sistemas de canales en vidrio, afirma Kotz-Helmer: "Gracias a la estabilidad térmica y química del vidrio, se abren muchos nuevos campos de aplicación, especialmente en el ámbito de la síntesis química en un chip".
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