研究人员使用3D打印来制造光纤预制棒

澳大利亚两所大学的研究人员合作开发了一种3D打印预制棒的方法，该预制棒可以拉成石英玻璃光纤，用于新型电信网络和其他用途。悉尼科技大学和新南威尔士大学的合作伙伴表明，这种新的制造方法“不仅可以简化这些纤维的生产，而且还可以实现以前不可能的设计和应用。”该工作在OL期刊（付费专区）中首次被报道。

3D打印方法“直射光投影”用于制造硅纤维预制棒

悉尼科技大学研究团队的约翰•坎宁（John Canning）表示：“制造石英光纤涉及在车床上旋转管子的劳动密集型过程，这需要将一根或多根光纤的纤芯精确居中。”“通过3D打印制造，无需将光纤的几何形状居中。这消除了光纤设计的最大限制之一，并大大降低了光纤制造的成本。”Canning的小组与悉尼新南威尔士大学的Peng Gang-Ding Peng的研究小组合作，报告了他们的“由3D打印预制棒拉制而成的第一批石英玻璃纤维”的创建。Canning说：“诸如3D打印之类的增材制造方法非常适合作为改变纤维设计和用途的整个方法。” “例如，这可能会拓宽光纤传感器的应用范围，就使用寿命、校准和维护而言，光纤传感器的性能远远超过电子同类产品，但由于其昂贵的制造工艺而并未得到广泛应用。”

使用牵引塔（左）制造最终的光纤（右）

将聚合物3-D打印转换为玻璃

新的研究成果是建立在早期工作的基础之上的，在该工作中，研究人员使用一种聚合物材料来演示从3-D打印的预制棒中提取的第一根纤维。由于存在巨大的材料挑战，包括3-D印刷玻璃需要超过1900°C（3450°F）的高温，因此，将这种方法应用于二氧化硅已证明具有挑战性。坎宁说：“由于材料和纳米颗粒整合的新颖结合，我们证明了3D打印二氧化硅预制棒的可能性。” “我们希望这一进展将带来一系列活动，包括其他增材制造方法，以加速这一领域的发展。”在最新的工作中，研究人员使用了市售的直射式3D打印机[未指定品牌]。这种类型的增材制造极为精确，通常用于通过使用数字投光器以聚合光反应性单体来创建聚合物物体。

二氧化硅纳米粒子

为了制造二氧化硅物体，研究人员将二氧化硅纳米粒子按重量的50％或更高来添加。他们设计了一个3D打印的圆柱形物体，其中包含一个孔。然后，他们将聚合物和纳米颗粒的混合物插入孔中，同时将锗硅酸盐添加到二氧化硅纳米颗粒中以产生更高的折射率。以这种方式，可以整合多种掺杂剂。接下来，研究人员使用了一个独特的加热步骤，称为脱脂，以去除聚合物，仅留下二氧化硅纳米颗粒，它们通过分子间作用力保持在一起。最后，升高温度进一步将纳米颗粒融合成固体结构，该固体结构可插入拉丝塔中，然后在其中加热并拉动以形成光纤。

研究人员使用他们的新技术来制造与标准锗硅酸盐纤维相当的预制棒，根据拉伸条件，该预制棒可用于制造多模或单模纤维。尽管他们确实在最初制造的光纤中观察到了很高的光损耗，但是，他们已经确定了造成这些损耗的原因并正在努力解决这些问题。

商业化机会

坎宁说：“这项新技术非常出色，可以应用于一系列玻璃材料加工中，以改善其他类型的光学组件。”“通过进一步改进以限制光损失，这种新方法可能会取代传统的基于车床的二氧化硅光纤制造方法。这不仅可以减少制造和材料成本，而且还可以减少培训和危害，因此可以降低人工成本。”研究人员评论说，他们有兴趣与“主流商业纤维制造公司”合作以改进该技术并使之商业化。 他们还计划探索通过针对不同应用进行优化来加快实现3-D打印的其他方法。