Comment imprimer du verre en 3D ? Oui, c'est possible
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Le verre de forme précise est une substance délicate pour la fabrication additive. Une méthode d’impression 3D développée par des chercheurs de l’Université de Notre Dame permet de déposer du verre à une vitesse de 15 millimètres cubes par seconde.
Pendant des siècles, les humains ont chauffé, soufflé et étiré le verre pour en faire des objets aussi utiles que des fenêtres complexes pour raconter des histoires. Aujourd'hui, des chercheurs de l'University of Notre Dame dans l'Indiana aux Etats-Unis travaillent à adapter les techniques de soufflage de verre artisanal à une plateforme robotisée. Au lieu d'une torche et d'une paire de gants ignifuges, ils ont utilisé un laser et une platine contrôlée par ordinateur. Et ils montrent que cela fonctionne pour créer les structures solides transparentes nécessaires aux dispositifs optiques, microfluidiques et photoniques.
Ed Kinzel est professeur associé de génie aérospatial et mécanique à l’université de Notre Dame. Son objectif est de combiner la liberté géométrique du verre soufflé à la main avec la précision de l’ impression 3D moderne . « Je dirais qu’il n’existe pas de bonne façon de réaliser rapidement des prototypes avec du verre », déclare Ed Kinzel.
Si vous souhaitez une géométrie de verre différente de celle obtenue avec un appareil de chimie commerciale, vous devez vous adresser à un souffleur de verre scientifique et payer le prix en termes d’argent et de temps. Ce n’est pas le cas pour les métaux et de nombreux polymères, pour lesquels la commande numérique par ordinateur (CNC) peut créer rapidement des pièces individuelles aux géométries complexes, une à la fois. Une machine permettant la fabrication rapide du verre peut combler cette lacune.
Mais les propriétés mêmes qui rendent les verres à base de silicate intéressants pour les équipements scientifiques et les produits de consommation – stabilité thermique élevée, rigidité, transparence optique et inertie chimique – mettent ce matériau hors de portée de la plupart des procédés de fabrication additive.
Par exemple, la viscosité élevée à l'état fondu rend difficile l'élimination des bulles dans les procédés sur lit de poudre, et la transparence du verre des longueurs d'onde proches de l'ultraviolet au proche infrarouge signifie qu'il n'absorbe pas les lasers à ondes continues à haute énergie qui sont courants dans les approches de stratification par fusion et solidification.
Comment imprimer du verre en 3D
Une approche additive consiste à partir de verre entièrement formé et à le fusionner sous l'effet de la chaleur, ce qui est possible pour les verres à basse température de traitement et pour les composants à faible résolution. Mais les joints qui se forment entre les pistes adjacentes limitent la transparence et rendent difficile la création de structures entièrement denses.
Une autre approche réussie, qui a même été commercialisée , consiste à déposer des boues de précurseur de silice combinées à un photopolymère dans un motif, puis à sécher et densifier la structure résultante par un chauffage prolongé. Cette approche « a permis de créer des objets impressionnants, mais peut avoir du mal à fabriquer des structures plus grandes ou clairsemées », explique Ed Kinzel.
La technique d'impression 3D permet de fabriquer du verre lisse et sans bulles aux formes complexes. Université of Notre Dame
C'est là qu'intervient le formage numérique du verre . Ed Kinzel et ses collègues ont développé une technique qui utilise un laser pour chauffer la surface d'une tige de verre, une approche que certaines entreprises utilisent déjà pour produire des produits en verre. D'autres équipes, dont Ed Kinzel et ses collègues, sont parvenues indépendamment à une approche similaire en 2014, et elles l'adaptent pour l'utiliser dans des applications spécialisées.
Dans le laboratoire d’Ed Kinzel , un laser au dioxyde de carbone fait fondre localement un filament de verre de petit diamètre, ce qui permet de le déformer. Les chercheurs construisent des formes 3D en déplaçant un substrat de quartz fondu sur une plate-forme CNC à 4 axes par rapport à l'intersection du filament et du faisceau laser.
Le verre fondu est façonné de manière contrôlable par l'interaction avec le substrat et la pression de la partie non chauffée du filament, ainsi que par la gravité et la tension superficielle. L'application d'une pression pneumatique dirigée vers le bas de la matière première en verre a permis à l'équipe d'appliquer ce processus à des tiges de verre creuses pour créer à la fois des formes 2D sur substrat et des structures en spirale 3D autonomes.
Améliorer le processus d'impression 3D pour le verre
En modifiant soigneusement les propriétés de la vitesse de balayage, de la puissance laser et des vitesses d’alimentation du filament, Ed Kinzel et ses collègues Luis Deutsch Garcia et Horacio Ahuett Garza de l’Institut de technologie et d’enseignement supérieur de Monterrey au Mexique sont passés de l’impression lente de structures tubulaires creuses à la création rapide de solides 3D denses et parfaitement transparents.
Dans le chauffage volumétrique, un faisceau laser dans une configuration coaxiale chauffe un filament de verre sodocalcique qui est lui-même transparent au laser, mais le fait de le doper avec des dopants modifie la profondeur de pénétration optique. Les expériences ont montré qu’il était possible de fabriquer des géométries 2D et 3D entièrement denses, lisses et sans bulles à l’échelle de quelques dizaines de millimètres à un taux de dépôt de 15 millimètres cubes par seconde. Cette capacité était limitée par les performances actuelles, et les modèles prédisent que les performances ultimes pourraient être bien supérieures.
« Il est difficile de créer des structures en verre avec précision », explique Ed Kinzel . Les lentilles peuvent bien sûr être fabriquées par soustraction (par meulage magnétique ou mécanique d’une surface jusqu’à la perfection) et il existe des outils permettant de former avec précision des lentilles en verre pour une production en grande série. Mais les structures en verre à surface libre et à forme libre se limitent généralement à des feuilles ou des fibres unidimensionnelles.
« Nous pensons qu’il existe des applications telles que les treillis légers et à haute résistance, qui bénéficieraient des propriétés du verre, mais qui seraient très difficiles à produire par un artisan et qui bénéficieraient d’une grande précision », souligne Ed Kinzel .
L'équipe a également démontré sa capacité à créer des guides d'ondes optiques, dans lesquels des fibres de 125 micromètres de diamètre déposées sur un substrat maintiennent la transmission optique autour de courbes d'un diamètre suffisant. Cependant, pour créer des circuits photoniques, deux fibres déposées doivent être couplées ensemble de manière à ce que les ondes évanescentes d'un cœur de fibre puissent être couplées à un autre. « Nous avons pu créer des optiques simples et travaillons à l'impression de structures photoniques », lance Ed Kinzel .
Les travaux ont été présentés en juillet lors de la conférence Advanced Photonics d'Optica, à Québec. Les chercheurs discutent plus en détail des détails techniques dans un article publié en juin dans le Journal of Manufacturing Processes.