蘇黎世聯邦理工學院通過3D打印來生產復雜的玻璃物體

來源：江蘇激光聯盟

導讀：蘇黎世聯邦理工學院的研究人員現在已使用一種新技術通過3D打印來生產復雜的玻璃物體。該方法基于立體光刻技術，是1980年代開發(fā)的首批3D打印技術之一。由蘇黎世聯邦理工學院AndréStudart帶領的復雜材料小組的David Moore，Lorenzo Barbera和Kunal Masania開發(fā)了一種特殊的樹脂，該樹脂包含塑料以及與玻璃前體結合的有機分子。研究人員在《Natural Materials》上報告了他們的研究結果。

玻璃制造的歷史可以追溯到埃及，從那以后，就一直吸引著藝術家，科學家和技術專家。從古代吹塑的發(fā)明到十九世紀被廣泛使用的紡絲和手動軋制技術，玻璃制造一直是一種高度經驗和費力的藝術。第一次工業(yè)革命帶來的自動化導致了吹塑和鑄造工藝的機械化，為生產率和質量設定了新的標準。在工業(yè)化階段的工藝創(chuàng)新在玻璃技術中起著舉足輕重的作用，例如用于大型平板窗制造的Pilkington工藝和用于電子顯示器的高強度玻璃的開發(fā)就是例證。盡管自動化和工藝創(chuàng)新提高了玻璃產品的可再現性、性能和質量，但通過這些方法獲得的對稱且主要是平面的幾何形狀與手工藝術玻璃作品產生的復雜形狀相比仍然非常有限。

三維（3D）打印技術的出現為在完全數字化制造過程中制造復雜形狀的物體開辟了新的可能性。就眼鏡而言，3D打印有可能將現代工業(yè)過程提供的自動化與比手工藝術勞動更高的幾何復雜性相協調。使用3D打印生產玻璃物體并不容易。世界各地只有少數研究人員嘗試使用增材法生產玻璃。有些是通過印刷熔融玻璃制成物體的，但缺點是這需要極高的溫度和耐熱設備。其他人使用的是粉末狀陶瓷顆粒，可以在室溫下印刷，然后再燒結制成玻璃。但是，以這種方式產生的物體不是很復雜。

用于“生長”物體的光
研究者發(fā)表了一種簡單的3D打印過程，該過程依賴于液態(tài)樹脂的相分離，以使用臺式數字光處理（DLP）打印機創(chuàng)建具有高分辨率和多氧化物化學成分的復雜形狀的玻璃。樹脂主要包括醇鹽無機前體，光活性單體混合物和吸光染料（見下圖）。該樹脂可以使用商業(yè)上可獲得的數字光處理技術進行處理。這包括用紫外線照射樹脂光線模式。光照射到樹脂的任何地方，它都會變硬，因為聚合物樹脂的光敏成分在暴露的地方發(fā)生交聯。塑料單體結合形成迷宮狀結構，形成聚合物。含陶瓷的分子填滿了這個迷宮的空隙。


圖1. DLP 3D打印相分離樹脂

因此，一個物體可以一層一層地建造起來。研究人員可以改變每一層的各種參數，包括氣孔尺寸:弱光導致毛孔粗大；強烈的光照會產生小孔。馬薩尼亞表示他們偶然發(fā)現了這一點，但是可以用它來直接影響打印物的孔徑。

用3D打印機創(chuàng)建的各種玻璃物品。圖片來源：蘇黎世聯邦理工學院

研究人員還能夠通過將二氧化硅與硼酸鹽或磷酸鹽混合并將其添加到樹脂中來逐層修改微觀結構。復雜的物體可以由不同類型的玻璃制成，甚至可以使用該技術組合到同一對物體中。

然后，研究人員在兩種不同的溫度下燒制以這種方式制成的坯體:在600℃燒去聚合物骨架，然后在1000℃左右將陶瓷結構致密化成玻璃。在燒制過程中，物體會明顯收縮，但會變得像窗玻璃一樣透明和堅硬。

毛坯（左）以600度燒制以消除塑料框架。在第二個燒制步驟中，物體變成玻璃（右）。圖片來源：蘇黎世聯邦理工學院

Masania表示這些3D打印的玻璃物體仍然不超過模具。目前還不能以這種方式生產大玻璃物體，例如瓶子，水杯或窗玻璃，這實際上并不是該項目的目標。目的是證明生產的可行性玻璃物體復雜幾何圖形的三維打印。然而，新技術不僅僅是一個噱頭。研究人員申請了一項專利，目前正在與一家主要的瑞士玻璃器皿經銷商進行談判，該經銷商希望在他的公司中使用這項技術。