Preparação de Fibras Ópticas Poliméricas utilizando tecnologia de Impressão 3D.

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Materiais

Autores

Albino, L. (IQ/UNESP) ; Nalin, M. (IQ/UNESP) ; Polachini, F.C. (IQ/UNESP)

Resumo

A preparação de fibras ópticas poliméricas tem sido uma área de pesquisa recente e inovadora. Devido ao baixo ponto de fusão dos polímeros, eles podem ser utilizados em uma impressora 3D e moldados como necessário pelo método de deposição por fusão (FDM). Os polímeros utilizados serão transparentes para transporte mais eficiente de luz na região UV-Vis e infravermelho próximo. A análise térmica da amostra revelará qual temperatura ideal para o puxamento da fibra. A espectroscopia UV-Vis possibilitará identificar as regiões de maior transparência da amostra para a transmissão de luz. Os parâmetros ideais para a impressão das preformas foi determinado experimentalmente, assim como o puxamento dessas, utilizando uma torre de puxamento de fibra.

Palavras chaves

Impressão 3D; fibra óptica; polímeros

Introdução

O trabalho tem como principal objetivo a preparação de fibras ópticas poliméricas utilizando a tecnologia de impressão 3D usando o método deposição por fusão (FDM, fused deposition modeling), determinando as melhores condições de impressão e puxamento. Existem várias tecnologias disponíveis de impressão 3D. A mais comum, chamada de deposição por fusão consiste de um sistema composto por um bico aquecido e pelo qual é passado um polímero que irá fundir e será depositado em uma plataforma. O bico é guiado por um programa de computador e possui liberdade de deposição em três direções (3D), dessa maneira pode-se projetar o objeto no computador, usando diversos programas, e reproduzir o desenho usando a impressora. Existem vários tipos de polímero que podem ser usados, sendo que dentre os mais comuns estão o poli metil metacrilato (PMMA), o acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), ácido polilático (PLA), dentre outros. O PLA, utilizado neste trabalho, é um plástico de boa tenacidade, bastante forte e rígido, baixa contração e produz peças com aspecto mais brilhante, oferece boa definição em detalhes, além disso é derivado de fontes naturais e é biodegradável. (PEREIRA, T. et al, 2014; WILLIS, K. et al, 2012; LAU, R. et al, 2016; KOIKE, Y., 2015) As preformas foram projetadas utilizando softwares de design visando uma fibra óptica, ou seja, que o fenômeno de reflexão interna total ocorra. As condições de impressão e puxamento da fibra foram determinadas experimentalmente.

Material e métodos

1- Design das preformas. As preformas utilizadas na fabricação das fibras serão projetadas e desenhadas utilizando softwares como AutoCAD®, visando a produção das fibras e a transmissão do sinal por elas. (COOK, K., 2015) 2- Confecção das preformas na impressora 3D e Tratamento térmico. As preformas projetadas então são feitas pela impressora 3D utilizando o polímero transparente selecionado e o desenho escolhido. Pode-se controlar qualquer parâmetro utilizado na impressão, visando melhor qualidade da preforma. Depois de impressa, é necessário um tratamento térmico controlado para que a preforma não cristalize e que posse ser puxadas eficientemente. 3- Puxamento das fibras ópticas. Utilizando a torre de puxamento, as preformas poliméricas são utilizadas na produção da fibra. As condições de temperatura, taxa de aquecimento, velocidade de puxamento serão determinadas experimentalmente. 4- Caracterização. Após a preparação das fibras, são feitas caracterizações quanto a absorbância do polímero, analise térmica e índice de refração. Também foram determinadas condições de armazenamento da fibra. 5- Transmissão. Para determinar a transmissão de luz e sua eficiência, um espectrômetro óptico é utilizado, acoplando com a fibra puxada e uma fonte de luz que será transmitida pela fibra.

Resultado e discussão

As preformas impressas era cilíndricas possuíam cerca de 14 mm de diâmetro por 90 mm de altura, possuindo um, três e cinco furos, para garantir que o fenômeno de reflexão interna total ocorra, guiando a luz no núcleo sólido da fibra. Os resultados de DSC mostraram que a transição vítrea do polímero fica entre 50-60°C. Depois de impressas, as preformas vão ao forno numa temperatura controlada à 45°C, para evitar a cristalização do polímero. Depois de 24h, a preforma poderia ser puxada. Depois de um estudo sistemático das temperaturas, determinou-se a temperatura de puxamento como de 160°C com a velocidade de aquecimento de 2°C/min. Devido a viscosidade do polímero ser controlada pela temperatura, não há necessidade de pressurização do forno, como ocorre nas preformas de vidro, pois a viscosidade é suficiente para não ocorrer o colapso da estrutura. A velocidade de puxamento é de 2mm/s. A fibra puxada partia então para a microscopia óptica, para averiguar a simetria com a preforma-mãe, sempre similar. Realizou-se medidas de absorbância, índice de refração e armazenamento da fibra. Utilizando um laser 980nm na ponta da fibra e um espectrômetro óptico na outra ponta, determinou-se a transmissão da fibra. Para a detecção, utilizou-se uma média de 50 medidas com tempo de integração de 500 ms.

Conclusões

As condições de impressão determinadas permitiram a produção de uma preforma de melhor qualidade. As análises de absorbância determinaram em qual região do espectro a fibra é transparente. As condições de puxamento determinadas garantiram a produção da fibra a partir da preforma sem a perda da estrutura. As analises de transmitância da fibra mostraram que a tecnologia de impressão 3D pode ser utilizada na produção de fibras poliméricas, com um custo e tempo bem menor que fibras ópticas convencionais de sílica.

Agradecimentos

Agradecimentos a CAPES Ao Laboratório de Vidros Especiais Ao Laboratório de Materiais Fotônicos Ao IQ/UNESP

Referências

COOK, K.; CANNING, J.; LEON-SALVAL, S.; REID Z.; HOSSAIN, M.D A.; COMATTI, J.; LUO, Y.; PENG, G.; Opt. Lett. 40 (2015) 3966.
KOIKE, Y. Fundamentals of Plastics Optical Fibers WILEY-VCH 2015.
PEREIRA, T.; RUSINKIEWICZ, S.; MATUSIK, M.; ACM Trans. Graph. 33 (2014) 1.
REED, S.; LAU, G.; DELATTRE, B.; LOPEZ, D.; TOMSIA, A.; WU, B. “Macro- and micro-designed chitosan-lginate scaffold architecture by three-dimensional printing and directional freezing”. Biofabrication 8 (2016) 015003
WILLIS, K.; BROCKMEYER, E.; HUDSON, S.; POUPYREV, I. “Printed optics: 3D printing of em-bedded optical elements for interactive devices,” in Proceedings of the 25th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology (USIT), New York (2012), p. 589.