Imprimarea 3D cu sticlă: tot ce vrei să știi

de Mitchel Stoll

Publicat pe 18 iulie 2023 pe all3dp.com

Imprimarea 3D cu sticlă este o tehnologie în plină ascensiune în domeniul fabricației aditive, având capacitatea de a prelua sticla spartă și de a extruda o linie topită care poate fi depusă strat cu strat – un proces remarcabil de similar cu imprimantele de modelare prin depunere cu filament topit (FDM) pe care le cunoașteți și le iubiți, dar cu o temperatură de funcționare de aproximativ 10 ori mai ridicată. Sticla imprimată 3D câștigă deopotrivă atenția oamenilor de știință și a artiștilor, oferind noi căi pentru producția personalizată de sticlă, ceea ce ne-ar putea face să privim sticla cu totul altfel.

În acest articol, vom dezvălui cum funcționează imprimarea 3D cu sticlă și ce intră în compunerea acestor imprimante de temperaturi înalte. De asemenea, vă vom oferi o perspectivă asupra modului în care imprimarea 3D cu sticlă poate fi utilizată în diverse industrii, precum și o nouă abordare inovatoare în ceea ce privește imprimarea 3D a sticlei – polimerizarea în cuvă. În cele din urmă, vom examina cât de aproape suntem de a avea această tehnologie disponibilă într-un Fab Lab aproape de dumneavoastră. Haideți să începem!

IMPRIMAREA 3D CU STICLĂ: NOȚIUNI DE BAZĂ

Ce este?

Un model Benchy din sticlă pentru a începe (Sursă: mapleglassprinting prin Reddit)

Imprimarea 3D cu sticlă nu este la fel de ușoară ca aceea cu filamente armate cu lemn sau metal, unde particule mici sunt dispersate în filament, imitând textura materialului pur. Imprimantele adevărate pentru sticlă au nevoie de sticlă pură pentru a imprima. În timp ce unii au găsit modalități de a adăuga particule de sticlă în rășină pentru a imprima 3D, cel mai mare avânt îl au imprimantele FDM, așa că ne vom concentra pe acestea deocamdată și ne vom uita puțin mai târziu la imprimarea cu rășină de sticlă.

De la sfărâmarea sticlei, topirea acesteia și apoi fabricarea tijelor de filament necesare pentru a alimenta imprimanta 3D, există multe etape necesare pentru a da viață acestei idei. În primul rând, obținerea sticlei echivalente filamentului nu este la fel de simplă ca plasarea unei comenzi online. În prezent, mulți în domeniu își produc propriul material pentru alimentarea imprimantei.

Apoi vine sarcina de a face o imprimantă 3D să depună sticlă topită în linii perfecte, strat după strat, până când obțineți rezultatul final. Sună asemănător cu imprimarea 3D pe o imprimantă de birou, nu-i așa? Marele diferențiator aici este că imprimanta 3D pentru sticlă necesită puțin mai multă căldură, cu o temperatură de imprimare de nici mai mult nici mai puțin de 1.300 °C și o incintă cu o temperatură de peste 400 °C. Asta da duză fierbinte!

Haideți să analizăm acest proces pas cu pas pentru a vedea mai de aproape această inovație fierbinte.

IMPRIMAREA 3D CU STICLĂ: NOȚIUNI DE BAZĂ

Materiale

De la sticlă la cioburi, la tijă, la imprimare! (Sursă: Maple Glass Printing prin YouTube)

Sticla care se poate folosi pentru imprimarea 3D este versatilă în ceea ce privește culoarea și tipul, unele având nevoie doar de temperaturi ușor diferite pentru a obține rezultatul dorit. Sticlele precum sticla cu sodă și calciu, sticla de artă, sticla de cristal sau chiar recipientele de sticlă reciclată pot fi toate imprimate 3D. O noțiune familiară celor care utilizează imprimante 3D, unde diferite filamente sunt fabricate din materiale diferite și necesită temperaturi diferite.

Mașinile de imprimare 3D în sticlă, precum Maple 3 de la Maple Glass Printing, folosesc tije de sticlă care sunt introduse în imprimantă prin intermediul unui orificiu din partea de sus care duce la elementul de încălzire și apoi la duză. Tijele de sticlă sunt produse prin sfărâmarea aproape oricărui fel de deșeu de sticlă și încărcarea acesteia în dispozitivul lor, Vitri-Glass, care extrudează sticla topită în tije. Acest lucru poate produce tije de sticlă cu diametre cuprinse între 3,5 și 6 mm, care urmează să fie utilizate cu imprimanta 3D pentru sticlă.

După cum poate ați remarcat, imprimarea 3D cu sticlă este perfectă pentru reciclare – sticla poate fi reciclată de multe ori fără ca proprietățile sale să se deterioreze. Imaginați-vă că nu va trebui să cumpărați filament din nou și veți putea reutiliza borcanele de castraveți pe care altfel le-ați arunca!

Următorul pas este să vedem unde este topit acest filament de sticlă și transformat în geometrii complexe.

IMPRIMAREA 3D CU STICLĂ: NOȚIUNI DE BAZĂ

Procesul

Nu chiar incinta de imprimare obișnuită (Sursă: Cooper Hewitt prin YouTube)

Tijele de sticlă pe care tocmai le-am menționat sunt pregătite pentru a fi încărcate imediat în imprimantă. Să reținem că aceste tije de sticlă nu sunt înfășurate pe o bobină și trebuie încărcate continuu în imprimantă în timpul imprimării. Alte imprimante pot avea extrudarea tijelor de sticlă incorporată în imprimantă, cum ar fi dispozitivul produs de grupul de cercetare al lui Neri Oxman la Massachusetts Institute of Technology.

Imprimantele 3D pentru sticlă trebuie să ajungă la o temperatură de aproximativ 1.300 °C pentru ca tijele sau fragmentele de sticlă să devină suficient de moi pentru extrudare, în funcție de tipul de sticlă. Indiferent de forma sticlei încărcată în imprimantă, aceasta trebuie să ajungă la această temperatură extremă înainte de a putea fi aplicată pe suprafața de imprimare.

La fel ca la majoritatea imprimantelor 3D și a mașinilor CNC actuale, imprimarea 3D cu sticlă va utiliza adesea codul G pentru a transmite instrucțiunile de imprimare 3D. Acest lucru conferă o senzație de familiaritate plăcută oricui lucrează în domeniul imprimării 3D. Pentru a vă simți cu adevărat în largul vostru, Maple Glass Printing recomandă chiar folosirea programelor de slicing precum Cura sau Simplify3D pentru a crea fișierele pentru imprimare 3D.

Odată ajunsă în interiorul incintei de imprimare, piesa în curs de imprimare 3D se “odihnește” la o temperatură de 400 °C până când procesul este complet și începe răcirea lentă până la temperatura camerei. Procesarea ulterioară va depinde de utilizarea finală dorită, dar obiectele imprimate sunt aproape gata de utilizare direct de pe suprafața de imprimare!

Să ținem însă cont că această tehnologie se află într-un stadiu incipient. Configurațiile imprimantelor actuale se pot schimba pe măsură ce acest domeniu continuă să se dezvolte și să devină mai accesibil.

În continuare, să analizăm cum diferă de fabricarea tradițională a sticlei acest proces.

IMPRIMAREA 3D CU STICLĂ: NOȚIUNI DE BAZĂ

Imprimarea versus producția tradițională

Nu sunt producători obișnuiți de sticlă (Sursă: Mackenzie Serwa prin RIT News)

Putem spune cu siguranță că sticla imprimată 3D nu va pune prea curând în pericol metodele tradiționale de producție a sticlei la scară largă. La fel ca în cazul plasticului imprimat 3D, această tehnologie de fabricare a sticlei este mai potrivită pentru modele de nișă, personalizate sau complexe, care sunt sau imposibil de obținut cu metodele tradiționale – în acest caz, suflarea sticlei.

Aceasta este fără îndoială o artă complexă și solicitantă din punct de vedere fizic, care necesită ani de pregătire și echipamente serioase, inclusiv cele de siguranță, pentru a fi realizată profesional. Din păcate, acest lucru reprezintă o barieră semnificativă pentru cei care au nevoie ocazional de piese personalizate din sticlă sau care ar dori să se extindă în acest mediu unic fără a se specializa în producția sa. Acest lucru este valabil mai ales pentru geometrii complexe, precum microstructurile folosite în cercetare.

A avea la îndemână o imprimantă 3D pentru sticlă ar putea face producția de materiale la fel de accesibilă precum este în cazul plasticului. Cercetătorii de la MIT care lucrează la perfecționarea imprimantei lor 3D pentru sticlă au evidențiat controlul fără precedent asupra texturii suprafeței sticlei imprimate 3D, inclusiv a suprafețelor interne, lucru care nu este posibil în cazul suflării sticlei.

Sticla este un material unic, fiind rezistentă mecanic și incredibil de rezistentă la temperatură și coroziune, precum și inertă și sigură pentru piele. Deși sticla este abundentă și ieftină, producția sa eset exact contrariul. Extinderea accesului la producția acestui material va duce, fără îndoială, la aplicații pe care nici măcar nu ni le putem imagina, cum ar fi crearea unor carcase durabile și non-invazive pentru etichetele de urmărire a păsărilor.

IMPRIMAREA 3D CU STICLĂ: NOȚIUNI DE BAZĂ

Aplicații

Combinația de artă cu tehnologie este magică (Sursă: Chikara Inamura)

Multe dintre companiile și cercetătorii care se ocupă de imprimarea 3D cu sticlă văd arta, arhitectura, optica, cercetarea și bijuteriile drept principalele domenii care vor beneficia de imprimarea 3D cu sticlă, cel puțin pentru moment. Aruncați o privire doar unora dintre structurile uimitoare create la Oxman, care combină arta, știința materialelor și ingineria structurală.

Ca mediu artistic, imprimarea 3D cu sticlă permite deopotrivă depunerea precisă și repetată a liniilor cu curburi unice, precum și geometrii interne. Trecerea luminii prin structurile de sticlă creează un efect frumos și fascinant, asemănător aurorei, pe măsură ce lumina se dispersează și se reflectă de-a lungul liniilor de strat și prin textura suprafeței.

Cealaltă aplicație care impulsionează imprimarea 3D cu sticlă este cercetarea științifică. Cuvele de sticlă sunt un element experimental inestimabil în mai multe domenii STEM datorită rezistenței, inerției chimice și transparenței sticlei, iar nevoia de personalizare este frecventă. Un exemplu sunt dispozitivele microfluidice, pe care cercetătorii le folosesc pentru a efectua experimente controlate cu cantități extrem de mici de material. Aceste dispozitive conțin o rețea complexă de canale interne, iar producția lor este în prezent foarte consumatoare de timp – ceva ce imprimarea 3D în sticlă ar putea schimba în viitor; totuși, implementarea completă în acest sens încă nu este clară.

Evident, o abordare de tip FDM nu ar fi ideală pentru caracteristicile mici și complexe necesare pentru aplicații precum microfluidica. În schimb, rezoluția pe care o poate atinge imprimarea cu rășină ar fi de preferat, iar o companie nou înființată numită Glassomer își propune să facă exact acest lucru.

IMPRIMAREA 3D CU STICLĂ: NOȚIUNI DE BAZĂ

Sticlă din rășină

Un dispozitiv microfluidic experimental produs prin imprimare 3D cu sticlă (Sursă: NeptunLab)

Glassomer, un start-up german desprins din NeptunLab, un laborator de cercetare al Institutului de Tehnologie Karlsruhe, utilizează o rășină lichidă de sticlă care conține silice amorfe pentru a obține imprimarea 3D în sticlă. Potrivit start-up-ului, rășina conținând sticlă poate fi imprimată pe orice imprimantă 3D de birou cu rășină.

Post-procesarea implică sinterizarea obiectului imprimat 3D într-un cuptor care atinge 1.300 °C pentru a topi liantul polimeric și a fuziona particulele de sticlă într-o piesă solidă și transparentă. Cu toate că materialul se topește în proces, compania susține că piesele își păstrează forma după o contractare izotropică (egală în toate direcțiile).

Acest tip de imprimare în sticlă permite rugozitatății suprafeței să ajungă la câțiva nanometri și permite crearea de structuri fizice complexe. Limitarea majoră pentru imprimarea acestei rășini este grosimea pereților: aceasta nu poate depăși 1 cm, deoarece orice lucru mai mare decât atât va provoca crăpături în interiorul sticlei.

Deși această tehnologie pare fascinantă, singurul mod de a avea acces la acest produs în prezent este să contactați direct  Glassomer și să discutați cu unul dintre agenții lor pentru a găsi cea mai bună soluție pentru nevoile dumneavoastră.

Poate acum vă întrebați dacă imprimarea 3D cu sticlă este încă limitată la facilități de cercetare, dar nu vă îngrijorați! Există un dispozitiv de imprimare 3D cu sticlă pe piață pentru cei care doresc să se implice în această tehnologie în plină expansiune.

IMPRIMAREA 3D CU STICLĂ: NOȚIUNI DE BAZĂ

Mașini comerciale

Nu vrem nici măcar să ne imaginăm cât costă transportul (Sursă: Maple Glass Printing prin Instagram)

Fiind o tehnologie nouă, nu sunt mulți jucători în domeniul imprimării 3D cu sticlă. Am menționat deja câțiva dintre acești jucători din lumea imprimării 3D cu sticlă, dar mulți dintre aceștia par încă experimentali. Maple Glass Printing a apărut recent ca singura companie care oferă o mașină comercială de imprimare 3D cu sticlă.

Cu sediul în Australia, scopul lor este să sprijine fabricația sustenabilă și să aibă un impact pozitiv asupra gropilor de gunoi, prin creșterea procentului de sticlă reciclată, utilizând-o în imprimantele lor. Acum sunt la a treia versiune a imprimantei lor, Maple 3.

Maple 3 este acum disponibil pentru achiziție pe site-ul lor, la prețul de 45.000 de dolari la momentul publicării. Dacă doriți să creați propriul filament de sticlă, din sticlă reciclată, puteți achiziționa pentru 15.000 de dolari Vitri-Glass, extruderul automatizat de mare capacitate de filament din sticlă.

Dar ce alte companii fac imprimare 3D cu sticlă? Ei bine, nu sunt multe – deocamdată. Cu accentul masiv pus pe cercetare pentru aducerea pe piață a mai multor tehnologii ca aceasta, este doar o chestiune de timp până când vom vedea mai multe sisteme de imprimare cu sticlă apărând. Un nume de urmărit este Nobula3D, care intenționează să aducă pe piață o „fabrică de sticlă pe biroul dumneavoastră”.

Cu toate acestea, dacă doriți doar să puneți mâna pe sticlă imprimată 3D, creatorii de la MIT care stau în spatele imprimantei de sticlă vând obiecte decorative din sticlă imprimată 3D din studioul lor, Evenline.

IMPRIMAREA 3D CU STICLĂ: NOȚIUNI DE BAZĂ

Perspective

Aceste microstructuri sunt realizate cu rășină de sticlă (Sursă: Joseph Toombs prin Berkeley Engineering)

Viitorul imprimării 3D cu sticlă e senin. Dorind să accelereze progresul tehnologiei de imprimare 3D cu sticlă, cercetătorii MIT au creat o soluție cu temperatură scăzută care ar permite scăderea temperaturilor de imprimare de la aproximativ 1.000-1.400 °C la doar 250 °C. Producția de sticlă la temperaturi scăzute nu ar face doar imprimantele mai sigure și ar reduce consumul lor de energie, ci ar permite și includerea de aditivi care ar putea schimba proprietățile sticlei în mod interesant.

O aplicație a imprimării 3D cu sticlă care se află în stadiu incipient este crearea unei structuri de burete de sticlă (Euplectella aspergillum). Această structură geometrică din sticlă are o rezistență structurală echivalentă cu cea a unor suporți din oțel.

Dincolo de toate acestea, putem vedea că imprimarea 3D cu sticlă se află încă la început și pare să aibă mult spațiu pentru a crește, în special în popularitate. Cu ajutorul companiilor care încep să vândă mașini comerciale, sperăm să vedem cum viitorul imprimării 3D cu sticlă se extinde și se dezvoltă pe măsură ce aceasta devine mai eficientă și mai ușor de utilizat.