玻璃3D打印的快速演變

與采用傳統(tǒng)方法相比，用3D打印技術(shù)制造玻璃品有幾個明顯的優(yōu)點：其一是能做出非常復(fù)雜的形狀，其二是能做出嵌入式的微流體通道，從而令產(chǎn)品具實際功能。

3D打印玻璃的起源可以追溯到2009年。那之后，世界各地便相繼涌現(xiàn)出了多種不同的3D打印玻璃工藝。

以色列Micron3DP公司就是首批3D打印玻璃玩家之一。他們采用的技術(shù)是與FDM類似的熔融擠出，速度快，分辨率也不錯，最高加熱溫度可達(dá)1640攝氏度，能打印鈉鈣玻璃和硼硅酸鹽玻璃。未來，該公司希望能進(jìn)一步開發(fā)出更多可以被3D打印的玻璃材料。

▲Micron3DP的3D打印玻璃品

著名高等學(xué)府美國麻省理工學(xué)（MIT）是Micron3DP之后的新玩家，研制出了一臺叫做G3DP的玻璃。它同樣采用了熔融擠出技術(shù)，但打印尺寸更大，制造能力也更強（能連續(xù)沉積30kg的熔融玻璃），同時采用了更強的數(shù)字集成熱控制系統(tǒng)和新型的四軸運動控制系統(tǒng) — 前者可以很好地控制玻璃成型的各個階段，后者則能夠精確控制流量和打印的精度。

更棒的是，這臺機器還能控制打印層厚，以及玻璃的透明度、顏色、透射、反射和折射等參數(shù)。機器本身包含一個窯，而玻璃原材料就是在那里被融化，然后通過噴嘴擠出的。

▲MIT的3D打印玻璃品

不過，并非所有的玻璃3D打印機采用的都是熔融擠出技術(shù)，比如今年早些時候，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）就通過光固化技術(shù)（SLA）實現(xiàn)了玻璃的3D打印。這種方法的優(yōu)點在于能做出更加微小且復(fù)雜的對象。

▲KIT的3D打印玻璃品

據(jù)KIT研究人員介紹，他們的技術(shù)比傳統(tǒng)的玻璃生產(chǎn)方法更快，并且不需要化學(xué)蝕刻。所用的材料是一種混合溶液，其中玻璃粉末會懸浮在液態(tài)光敏樹脂中。打印完成后將產(chǎn)品放在高溫烘箱中加熱燒掉樹脂，就得到了純玻璃制品。

2016年，德國Fraunhofer陶瓷技術(shù)和IKTS 系統(tǒng)研究所研發(fā)了一項3D打印新技術(shù)，可以打印微反應(yīng)器這樣非常復(fù)雜、微小部件。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”，這樣打印機才能進(jìn)行流暢的打印。

Fraunhofer研究所研發(fā)的這項3D打印技術(shù)可打印的材料是陶瓷、玻璃或金屬粉末懸浮液。陶瓷、玻璃或金屬粉末被混合在一種低熔點的熱塑性粘合劑中，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，打印機的電性溫度熔化了粘合劑，并混合著陶瓷、玻璃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對點逐漸打印出來。

2017年，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）位于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。

LLNL采用的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。3D科學(xué)谷了解到，LLNL的3D打印技術(shù)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。

LLNL的方法可以用于制造諸如激光器之類的光學(xué)應(yīng)用玻璃，3D打印使得這種玻璃的制造更容易、更便宜。

玻璃3D打印在短時間內(nèi)已經(jīng)走了很長的一段路 – 只是在幾年前，玻璃3D打印根本就不存在。現(xiàn)在，3D打印玻璃正在應(yīng)用到從藝術(shù)到建筑，再到光學(xué)和微流控等領(lǐng)域。 雖然3D打印玻璃不太可能取代玻璃制造傳統(tǒng)方法，但這種工藝卻有力地補充了傳統(tǒng)制造工藝所不能實現(xiàn)的領(lǐng)域。

延伸閱讀：
《麻省理工（MIT）開發(fā)出高精度玻璃3D打印技術(shù)》
《3D打印透明玻璃，光固化（SLA）技術(shù)變種》

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來源：3D科學(xué)谷