Dieses neue 3D-Druckverfahren könnte Glasfasern günstiger machen

Jan 26, 2024

Elizabeth Montalbano | 02. Dezember 2019

Ein neues 3D-Druckverfahren, das von Forschern der University of Technology in Sydney, Australien, entwickelt wurde, könnte die Kosten für die Herstellung optischer Glasfasern drastisch senken. Dies würde nicht nur zu Kostensenkungen bei der Herstellung der notorisch teuren Glasfaserkabel für Telekommunikationsnetze führen, sondern könnte auch zu neuen Designs und Anwendungen führen.

Der aktuelle Herstellungsprozess erfordert das Drehen von Rohren auf einer Drehmaschine mit präzise zentrierten Faserkernen, was arbeitsintensiv ist, sagte John Canning, der das Forschungsteam leitete.

Der neue Prozess lockert einige der Geometrieanforderungen, was einen der komplexesten Teile des Prozesses darstellt.

„Bei der additiven Fertigung muss die Fasergeometrie nicht zentriert werden“, sagte Canning in einer Pressemitteilung. „Dadurch wird eine der größten Einschränkungen beim Faserdesign beseitigt und die Kosten der Faserherstellung erheblich gesenkt.“

Das Team veröffentlichte einen Artikel über seine Arbeit in der Zeitschrift Optics Letters.

Eine Weiterentwicklung in der Fertigung

Die Forscher sagten, dass ihre Erfindung auf früheren Forschungen beruhte, bei denen sie Fasern aus einem Polymermaterial aus einem 3D-gedruckten Vorformling herstellten. Bisher war es aufgrund der hohen Temperaturen (mehr als 1900 Grad Celsius), die zum Drucken von Glas erforderlich sind, eine große Herausforderung, Kieselsäure in dieser Art von Druckverfahren zu verwenden.

„Dank einer neuartigen Kombination von Materialien und der Integration von Nanopartikeln haben wir gezeigt, dass es möglich ist, eine Silica-Vorform in 3D zu drucken“, sagte Canning in der Pressemitteilung.

Zur Herstellung von Quarzglas verwendeten Canning und sein Team einen 3D-Drucker mit Direktlichtprojektion (DLP), der im Handel erhältlich ist und normalerweise zur Herstellung von Polymerobjekten verwendet wird. Für diese Art der Fertigung verwendet der Drucker einen digitalen Lichtprojektor, um fotoreaktive Monomere zu polymerisieren.

Die Herstellung eines Silica-Objekts erforderte eine Änderung des Prozesses und der verwendeten Materialien. Was die Materialien betrifft, fügten die Forscher dem Monomer Silica-Nanopartikel in Mengen von 50 Gewichtsprozent oder mehr hinzu.

Anschließend entwarfen sie ein 3D-gedrucktes zylindrisches Objekt, das ein Loch für einen Kern enthielt, und fügten die Materialmischung aus Polymer und Nanopartikeln in das Loch ein. Dieses Mal änderten sie jedoch die Formel ein wenig und fügten den Silica-Nanopartikeln Germanosilikat hinzu. Dies führte zu einem höheren Brechungsindex, um die Integration einer Reihe von Dotierstoffen zu ermöglichen, sagten die Forscher.

Der nächste Schritt im Prozess erforderte einen einzigartigen Erhitzungsprozess namens Entbinderung, der das Polymer aus der Materialmischung entfernte und nur Silica-Nanopartikel zurückließ, die durch intermolekulare Kräfte gebunden waren.

Durch eine weitere Temperaturerhöhung verschmolzen die Forscher schließlich die Nanopartikel zu einer festen Struktur, die in einen Ziehturm eingeführt werden konnte, wo sie das Objekt erneut erhitzten und auch zogen, um die optische Faser zu erzeugen.

Der Weg zur Kommerzialisierung

Um ihren Prozess zu validieren, stellten die Forscher ein Vorformäquivalent einer Standard-Germanosilikatfaser her, das zur Herstellung von Multi- oder Singlemode-Fasern verwendet werden konnte, sagte Canning.

Sie gaben zu, dass sie bei ihrer Arbeit auf eine Einschränkung stießen, als sie in den ersten von ihnen gedruckten optischen Fasern hohe Lichtverluste beobachteten. Canning sagte jedoch, dass man das Problem inzwischen erkannt habe und daran arbeite, es zu beheben.

„Mit weiteren Verbesserungen zur Begrenzung der Lichtverluste könnte dieser neue Ansatz möglicherweise die herkömmliche drehmaschinenbasierte Methode zur Herstellung optischer Quarzfasern ersetzen“, sagte er in einer Pressemitteilung.

Die Verwendung dieses Prozesses anstelle der derzeitigen Fertigung würde die Kosten auf ganzer Linie senken – nicht nur bei den Herstellungs- und Materialkosten, sondern auch in Bezug auf den Arbeitsaufwand, da dadurch auch die Ausbildung und der Gefahrenfaktor, dem Produktionsarbeiter ausgesetzt sind, reduziert werden, sagte Canning.

Das Team strebt derzeit eine Partnerschaft mit einem etablierten kommerziellen Faserherstellungsunternehmen an, um die Technologie zu verbessern und zu kommerzialisieren. Auch in diesem Bereich wollen die Forscher die Forschung beschleunigen und neue Fertigungsansätze vorantreiben.

Elizabeth Montalbano ist eine freiberufliche Autorin, die seit mehr als 20 Jahren über Technologie und Kultur schreibt. Sie hat als professionelle Journalistin in Phoenix, San Francisco und New York City gelebt und gearbeitet. In ihrer Freizeit liebt sie Surfen, Reisen, Musik, Yoga und Kochen. Sie lebt derzeit in einem Dorf an der Südwestküste Portugals.

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