Этот новый метод 3D-печати может сделать оптоволокно дешевле

Jan 26, 2024

Элизабет Монтальбано | 02 декабря 2019 г.

Новый процесс 3D-печати, разработанный исследователями из Технологического университета в Сиднее, Австралия, может значительно снизить стоимость производства стеклянных оптических волокон. Это не только приведет к снижению затрат на производство заведомо дорогих волоконно-оптических кабелей для телекоммуникационных сетей, но также может привести к появлению новых конструкций и приложений.

По словам Джона Каннинга, возглавлявшего исследовательскую группу, современный процесс производства требует прядения труб на токарном станке с точно центрированными сердцевинами волокон, а это трудоемко.

Новый процесс ослабляет некоторые требования к геометрии, что является одной из самых сложных частей процесса.

«При аддитивном производстве нет необходимости центрировать геометрию волокна», — заявил Каннинг в заявлении для прессы. «Это устраняет одно из самых больших ограничений при проектировании волокон и значительно снижает стоимость их производства».

Команда опубликовала статью о своей работе в журнале Optics Letters.

Эволюция в производстве

Исследователи заявили, что их изобретение основано на более ранних исследованиях, в которых они изготовили волокно из полимерного материала из заготовки, напечатанной на 3D-принтере. Раньше было чрезвычайно сложно использовать диоксид кремния в этом типе печати из-за высоких температур (более 1900 градусов по Цельсию), необходимых для печати на стекле.

«Благодаря новой комбинации материалов и интеграции наночастиц мы показали, что можно напечатать на 3D-принтере заготовку из диоксида кремния», — сказал Каннинг в заявлении для прессы.

Для изготовления кварцевого стекла Каннинг и его команда использовали 3D-принтер прямого света (DLP), который имеется в продаже и обычно используется для создания полимерных объектов. Для изготовления этого типа принтер использует цифровой световой проектор для полимеризации фотореактивных мономеров.

Создание объекта из кремнезема потребовало изменения процесса, а также используемых материалов. Что касается материалов, исследователи добавили в мономер наночастицы кремнезема в количестве 50 или более процентов по весу.

Затем они спроектировали напечатанный на 3D-принтере цилиндрический объект с отверстием для ядра и поместили в него смесь материалов, состоящую из полимера и наночастиц. Однако на этот раз они немного изменили формулу, добавив к наночастицам кремнезема германосиликат. По словам исследователей, это создало более высокий показатель преломления, что позволило интегрировать ряд легирующих добавок.

Следующий шаг в этом процессе потребовал уникального процесса нагрева, называемого удалением связующих, который удалял полимер из смеси материалов, оставляя после себя только наночастицы кремнезема, связанные межмолекулярными силами.

Наконец, еще больше повысив температуру, исследователи сплавили наночастицы в твердую структуру, которую можно было вставить в вытяжную башню, где они еще раз нагревали, а также тянули объект для создания оптического волокна.

Путь к коммерциализации

По словам Каннинга, для проверки своего процесса исследователи изготовили заготовку, эквивалентную стандартному германосиликатному волокну, которую можно было использовать для создания много- или одномодовых волокон.

Они признали, что в своей работе они столкнулись с ограничениями, когда обнаружили высокие потери света в первых напечатанных ими оптических волокнах. Однако Каннинг заявил, что с тех пор они выявили проблему и работают над ее решением.

«При дальнейших усовершенствованиях по ограничению потерь света этот новый подход потенциально может заменить традиционный метод изготовления кварцевых оптических волокон на токарном станке», — сказал он в заявлении для прессы.

Использование этого процесса вместо существующего производства снизит затраты по всем направлениям – не только на производство и материальные затраты, но и на трудозатраты, поскольку это также снижает необходимость обучения и снижает уровень опасности, с которой сталкиваются производственные рабочие, сказал Каннинг.

В настоящее время команда ищет партнерства с крупной компанией по производству коммерческого волокна для улучшения и коммерциализации этой технологии. Исследователи также хотят ускорить исследования и внедрить новые производственные подходы в этой области.