光學(xué)元件的突破，美LLNL研發(fā)折射率可定義的梯度玻璃3D打印技術(shù)

關(guān)于玻璃的打印，之前麻省理工學(xué)院研究人員已經(jīng)發(fā)明了使用玻璃作為打印材料的3D打印方法，該過程被稱為G3DP。G3DP被描述為使用光學(xué)透明玻璃用于高度精確3D打印的方法。該過程是可控制，并且可以提供透明度和顏色等打印選項(xiàng)。打印對象的厚度也可以控制，另外還可以控制打印物體的透射，反射和折射等參數(shù)。不過麻省理工的3D打印并沒有實(shí)現(xiàn)玻璃材料微觀層面的控制，也就是梯度打印。

如今美國LLNL勞倫斯摩爾國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家研發(fā)出一種新的3D打印透明玻璃技術(shù)。無需曲面設(shè)計，就可以控制不同位置的光線折射率�？茖W(xué)家說這項(xiàng)研究可以改變激光和其他光學(xué)設(shè)備的制造方式。

盡管3D玻璃的打印還處于起步階段，但一致性的看法是這將改變光學(xué)的制造工藝。通過增材制造來創(chuàng)造這種透明的東西是有趣的。以色列的3D打印機(jī)Micron3DP就是這一行列的先行者之一，通過反復(fù)試驗(yàn)，Micron3DP終于在把材料溫度提升至850攝氏度之后成功地進(jìn)行了玻璃的3D打印。而為了3D打印硼硅玻璃，這種玻璃通常會被用于制造更加耐用的器皿，比如在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用的那些玻璃器皿，公司能夠把該材料的熔化溫度提升至1640攝氏度。

然而，其它的研究者，并不認(rèn)為FDM是最好的打印玻璃的方式，這些研究者還試圖在較低的溫度下3D打印制作玻璃制品。通常來說，F(xiàn)DM和立體3D打印技術(shù)不能夠完全熔化玻璃問題，導(dǎo)致多孔或非均勻結(jié)構(gòu)。LLNL加利福尼亞的研究人員創(chuàng)造了一系列定制玻璃油墨，他們認(rèn)為他們已經(jīng)解決了那些導(dǎo)致多孔或非均勻結(jié)構(gòu)的問題。這些由玻璃顆粒的濃縮懸浮液油墨具有高度控制的流動性能，并因此可以在室溫下滿足打印需求。LLNL的研究人員介紹說這些特殊油墨可以進(jìn)行熱處理，增強(qiáng)密度并消除打印過程中的其他問題。熱處理完成后，研究人員還可以進(jìn)行光學(xué)質(zhì)量的拋光，使零件更均勻更復(fù)合光學(xué)性能的要求。

“打印高質(zhì)量的光學(xué)，不允許任何孔和線的存在，他們必須是透明的，”LLNL材料工程師Du Nguyen說�！按蠖鄶�(shù)打印玻璃的其他技術(shù)是先熔化玻璃，然后冷卻下來，這有可能產(chǎn)生殘余應(yīng)力并導(dǎo)致開裂。而我們是在室溫下打印，避免了這些問題。”

LLNL打印出來的玻璃制品并不透明，但干燥和熱處理后變得透明。這項(xiàng)研究可以讓科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)曲面的光學(xué)玻璃打印，其中包括在不同位置實(shí)現(xiàn)不同的折射率。通常拋光復(fù)雜或非球面鏡片是相當(dāng)勞動密集的工作，而且需要大量的技能，但拋光平坦的表面要容易得多，通過控制打印部件的折射率，你可以改變光的折射路徑，這樣可以使鏡片進(jìn)行平的拋光。

具體來說，3D打印可以用來創(chuàng)建成分梯度，這些3D打印的光學(xué)組件可以用來降低光學(xué)系統(tǒng)的尺寸、重量或成本�！肮鈱W(xué)加工的研究和發(fā)展是走向自由曲面光學(xué)元件、光學(xué)、可以做幾乎任何復(fù)雜形狀的，”光學(xué)和材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目主任Tayyab Suratwala說。研究人員計劃通過改變玻璃的成分來嘗試3D打印高質(zhì)量的光學(xué)和漸變折射率透鏡。一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)將是創(chuàng)建梯度折射率的光學(xué)原件，這需要更高的對材料的理解和對打印工藝的控制水平。

LLNL科學(xué)家還將嘗試打印幾何形狀復(fù)雜的玻璃微流控器件。這項(xiàng)研究與明尼蘇達(dá)大學(xué)和美國俄克拉荷馬州立大學(xué)的科學(xué)家合作。根據(jù)市場研究，市場上或有一家技術(shù)與LLNL類似，德國Fraunhofer陶瓷技術(shù)和IKTS 系統(tǒng)研究所研發(fā)的3D打印新技術(shù)，不僅可以打印骨科植入物、假牙、手術(shù)工具等醫(yī)療產(chǎn)品，還可以打印微反應(yīng)器這樣非常復(fù)雜、微小部件。

Fraunhofer研究所研發(fā)的這項(xiàng)3D打印技術(shù)可打印的材料是陶瓷或金屬粉末懸浮液。陶瓷或金屬粉末被混合在一種低熔點(diǎn)的熱塑性粘合劑中，熱塑性粘合劑在80攝氏度時就會融化成為液體。在打印過程中，打印機(jī)的電性溫度熔化了粘合劑，并混合著陶瓷或金屬粉末材料以液滴的形式被沉積下來。沉積后液滴迅速冷卻變硬，三維對象就這樣被點(diǎn)對點(diǎn)逐漸打印出來。

金屬、玻璃或陶瓷粉末材料被均勻的混合在粘合劑中。粘度也是精確控制，混入的粉末材料既不能太“稀”也不能太“稠”，這樣打印機(jī)才能進(jìn)行流暢的打印。

來源：3D科學(xué)谷