研究人員使用3D打印來(lái)制造玻璃光纖預(yù)制棒

研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種使用3-D打印的方法，可以將預(yù)制棒拉制成石英玻璃光纖，從而構(gòu)成全球電信網(wǎng)絡(luò)的骨干。這種新的制造方法不僅可以簡(jiǎn)化這些纖維的生產(chǎn)，而且還可以實(shí)現(xiàn)以前不可能的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

悉尼科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的約翰·坎寧(John Canning)解釋說(shuō)：“制造石英光纖涉及在車床上旋轉(zhuǎn)管子的勞動(dòng)密集型過程，這要求將一根或多根光纖的纖芯精確居中。” “通過增材制造，無(wú)需將纖維的幾何形狀居中。??這消除了纖維設(shè)計(jì)的最大限制之一，并大大降低了纖維制造的成本。”

在光學(xué)協(xié)會(huì)(OSA)的《光學(xué)快報(bào)》雜志上，坎寧的研究小組與悉尼新南威爾士大學(xué)的彭剛鼎的研究小組合作，報(bào)道了第一批從3D打印預(yù)成型坯中提取的石英玻璃纖維。

Canning說(shuō)：“諸如3D打印之類的增材制造方法非常適合改變纖維設(shè)計(jì)和用途的整個(gè)方法。” “例如，這可能會(huì)拓寬光纖傳感器的應(yīng)用范圍，就使用壽命，校準(zhǔn)和維護(hù)而言，光纖傳感器的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子同類產(chǎn)品，但由于其昂貴的制造工藝而并未得到廣泛部署。”

將聚合物3-D打印轉(zhuǎn)換為玻璃

這項(xiàng)新的成就是建立在早期的工作基礎(chǔ)之上的，在該工作中，研究人員使用一種聚合物材料來(lái)演示從3-D打印的預(yù)成型坯中提取的第一根纖維。由于對(duì)材料的巨大挑戰(zhàn)，包括3-D印刷玻璃需要的高溫(超過1900攝氏度)，將這種方法應(yīng)用于二氧化硅已證明具有挑戰(zhàn)性。

坎寧說(shuō)：“由于材料和納米顆粒整合的新穎結(jié)合，我們證明了3D打印二氧化硅預(yù)成型坯的可能性。” “我們希望這一進(jìn)展將帶來(lái)一系列活動(dòng)，包括其他增材制造方法，以加速這一領(lǐng)域的發(fā)展。”

在這項(xiàng)新工作中，研究人員使用了市售的直射式3D打印機(jī)。這種類型的增材制造極為精確，通常用于通過使用數(shù)字投光器聚合光反應(yīng)性單體來(lái)創(chuàng)建聚合物物體。為了制造二氧化硅物體，研究人員將二氧化硅納米粒子的添加量按重量計(jì)占50%或更高。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)3D打印的圓柱形物體，其中包含一個(gè)用于孔的孔。然后，他們將聚合物和納米顆粒的類似混合物插入孔中，這次將鍺硅酸鹽添加到二氧化硅納米顆粒中以產(chǎn)生更高的折射率。以這種方式，可以整合多種摻雜劑。

接下來(lái)，研究人員使用了一個(gè)獨(dú)特的加熱步驟，稱為脫脂，以除去聚合物，僅留下二氧化硅納米顆粒，它們通過分子間作用力保持在一起。最終，升高溫度進(jìn)一步將納米顆粒融合成固體結(jié)構(gòu)，該固體結(jié)構(gòu)可以插入拉絲塔中，在拉絲塔中對(duì)其進(jìn)行加熱和牽拉以形成光纖。

研究人員使用他們的新技術(shù)來(lái)制造與標(biāo)準(zhǔn)鍺硅酸鹽纖維相當(dāng)?shù)念A(yù)成型坯，根據(jù)拉伸條件，該預(yù)制坯可用于制造多?；騿文＠w維。盡管他們確實(shí)在最初制造的光纖中觀察到了很高的光損耗，但是自那以后，他們已經(jīng)確定了造成這些損耗的原因，并正在努力解決這些問題。

坎寧說(shuō)：“這項(xiàng)新技術(shù)出奇地出色，可以應(yīng)用于一系列玻璃材料加工中，以改善其他類型的光學(xué)組件。” “通過進(jìn)一步改進(jìn)以限制光損失，這種新方法可能會(huì)取代傳統(tǒng)的基于車床的二氧化硅光纖制造方法。這不僅可以減少制造和材料成本，而且還可以減少培訓(xùn)和危害，因此可以降低人工成本。”

研究人員有興趣與一家主流的商業(yè)纖維制造公司合作，以改進(jìn)該技術(shù)并使之商業(yè)化。他們還計(jì)劃探索通過針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化來(lái)加快3-D打印的其他方法。