Fabricación aditiva de vidrio ópticamente transparente

Presentamos una impresora de extrusión de material completamente funcional para vidrio ópticamente transparente. La impresora está compuesta por elementos modulares escalables que pueden operar a las altas temperaturas requeridas para procesar vidrio desde un estado fundido a un producto recocido.

Demostramos un proceso que permite la construcción de piezas 3D como se describe en los modelos de diseño asistido por computadora. Los parámetros de procesamiento, como la temperatura, que controlan la viscosidad del vidrio, y la velocidad de flujo, la altura de la capa y la velocidad de alimentación se pueden ajustar para adaptar la impresión al componente deseado, su forma y sus propiedades.

Exploramos, definimos y codificamos las restricciones geométricas y los patrones de arrollamiento, así como la integración de varios colores en el proceso controlable actual, contribuyendo a un nuevo espacio de diseño y fabricación. Informamos sobre la caracterización realizada de los materiales impresos ejecutados para determinar sus propiedades morfológicas, mecánicas y ópticas.

Las partes impresas demostraron una fuerte adhesión entre las capas y una claridad óptica satisfactoria. Esta impresora 3D de vidrio fundido demuestra la producción de piezas que son altamente repetibles, permiten la transmisión de luz y se asemejan al rendimiento visual y mecánico de construcciones de vidrio que se obtienen convencionalmente. Utilizando la naturaleza óptica del vidrio, se crearon patrones cáusticos complejos proyectando luz a través de los objetos impresos.

Los objetos de vidrios impresos en 3D que se describen aquí se pueden extender a implementaciones a través de escalas y dominios funcionales, incluido el diseño de producto y arquitectónico. Esta investigación se encuentra en la intersección de diseño, ingeniería, ciencia y arte,

Introducción y Antecedentes

La fabricación de dditive (AM) ha experimentado importantes desarrollos desde su concepción, según lo documentó Charles Hull en su patente de 1984 para la construcción de piezas utilizando un polímero foto-reticulable.

Desde entonces, se han introducido numerosos procesos, como lo resume la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales, que define siete categorías según las cuales se puede clasificar la amplia gama de procesos.

 Cada uno de los diversos enfoques se basa en diferentes características físicas y fenómenos y a menudo se asocia con materiales específicos.

A lo largo de la historia de la fabricación, el proceso de diseño a menudo se ha guiado por las restricciones del método de fabricación. Las capacidades actuales de fabricación de forma libre permiten un espacio de diseño más flexible: menos restricciones de diseño brindan oportunidades completamente nuevas para la construcción y ensamblaje de objetos en diferentes escalas de longitud.

Específicamente, ahora es posible una complejidad adicional en la escala del producto sin afectar negativamente su tasa de producción, costo o calidad. Además, AM permite una iteración de diseño simple, rápida y económica, aprovechando la eficacia del diseño y la optimización no lineal.

El material extruido construido en tres dimensiones ha demostrado su valor comercial con el desarrollo de toda una industria a nivel del consumidor basada en los principios del modelado por deposición fundida (FDM).

 Sin embargo, las impresoras FDM, en su forma de realización actual, no pueden manejar materiales de alto punto de fusión y requieren la alimentación del material en forma de filamento, lo que presenta importantes limitaciones en tamaño y escala.

Dos métodos de impresión 3D se utilizan normalmente para materiales que requieren un procesamiento a alta temperatura, como metales y cerámica. El primero consiste en un método de sinterización en el que las partículas se fusionan juntas por debajo de la temperatura del punto de fusión.

Por lo general, las piezas se imprimen a través de chorro de aglomerante en un lecho de polvo, donde un agente de unión une temporalmente las partículas hasta que se sinterizan a través del tratamiento térmico a granel.

El segundo método utiliza un láser (fusión selectiva por láser, SLM) u otra fuente térmica para fundir partículas de material inyectadas o presentes en la plataforma del edificio.

Los materiales con base de vidrio tienen el potencial de proporcionar un valor particular en el campo de AM debido a su dureza, cualidades ópticas, accesibilidad y disponibilidad.

La investigación realizada hasta la fecha en la mañana del vidrio ha sido limitada en general. Se han aplicado dos tecnologías principales; Sin embargo, ambos tienen importantes inconvenientes.

Los métodos de inyección de aglutinante se han aplicado a materiales de vidrio para superar sus altas temperaturas de fusión y alta viscosidad. Los objetos de vidrio sinterizado impresos en este método están disponibles comercialmente, pero son extremadamente frágiles y se ven opacos debido a la dispersión de la luz de los polvos de vidrio causados ​​por una densificación incompleta.

Además, incluso los experimentos más recientes con vidrio SLM no han podido superar tales problemas: los productos permanecen opacos y muestran propiedades mecánicas deficientes.

Además, el pulido requiere un gran esfuerzo y acceso a toda la geometría y, a menudo, hace que las muestras se rompan en pedazos más pequeños. Incluso cuando tiene éxito, la porosidad interna conduce a una dispersión de luz significativa, lo que limita la transparencia al implementar este método.

 Un enfoque de alimentación manual de alambre descrito en el mismo trabajo produjo resultados de mayor calidad; sin embargo, la falta de automatización limita el control y prohíbe la producción parcial.

También se ha investigado el robocasting para la fabricación de componentes de vidrio, con especial interés en las formulaciones Bioglass para la ingeniería de tejidos óseos. En este proceso, las partículas de vidrio se suspenden en una solución acuosa o se incorporan a una matriz aglutinante.

La mezcla se extruye luego a través de una boquilla para formar un cuerpo verde poroso. Sin embargo, a medida que el cuerpo verde experimenta la sinterización, se encuentra con las mismas limitaciones de las piezas de vidrio de inyección de aglomerante descritas anteriormente.

La extrusión de vidrio fundido, que apareció tan pronto como el período mesopotámico, se mantuvo en las prácticas tradicionales de fabricación de vidrio. De hecho, todavía se aplica en el medio artístico: los paquetes de hornos comerciales como Vitrigraph de Bullseye Glass Co. permiten a los artesanos del vidrio crear bastones de vidrio o largueros a través de la extrusión manual de vidrio con un diámetro de fracciones de un milímetro a varios milímetros.

También se han desarrollado procesos de fabricación a gran escala para la extrusión de vidrio; son particularmente adecuados para vidrio caracterizado por un estrecho rango de temperatura de trabajo y un punto de reblandecimiento relativamente alto, como el vidrio de sílice (punto de reblandecimiento ∼1600 ° C) o con una fuerte tendencia a cristalizar, como los borosilicatos.

La aplicación de presión para forzar el flujo de vidrio a través de un tinte extiende el rango de trabajo del vidrio a viscosidades más altas y permite la producción de barras y tubos con secciones complejas.

En este artículo, el desarrollo de herramientas y procesos, que culminó en el primer sistema de extrusión de material completamente funcional de su tipo para vidrio ópticamente transparente,es presentado.

Esta tecnología habilitadora y la plataforma relacionada están compuestas por elementos modulares escalables que pueden operar a las altas temperaturas requeridas para procesar el vidrio desde el estado fundido hasta el producto recocido final.

Extrusión automatizada de perlas de vidrio de 10 mm de diámetro con una velocidad de construcción de aproximadamente 460 mm ³/ s permitió la creación de piezas en 3D según lo descrito por los modelos de diseño asistido por computadora (CAD) con un volumen de construcción de 250 mm × 250 mm × 300 mm.

El sistema AM y las piezas impresas proporcionan una prueba de concepto para la deposición de vidrio automatizada y la capacidad de producir objetos dentro de un espacio de diseño expansivo.

Este método permite la producción de piezas que son altamente repetibles, permiten la transmisión de luz y se asemejan al vidrio como se produce convencionalmente. Los componentes impresos pueden ser modulares y escalables desde productos artísticos hasta construcciones arquitectónicas, como se puede ver en los ejemplos incluidos aquí.

Fuente: Additive Manufacturing of Optically Transparent Glass – Revista de ingeniería – www.liebertpub.com