3D打印玻璃：多光子聚合透明硅樹脂，二氧化硅納米顆粒

南極熊導(dǎo)讀：3D打印玻璃非常困難，主要是因為很難在高熔點下保持材料的機械性能。但是，來自法國的三位研究人員在光學(xué)學(xué)會（OSA）的《光學(xué)快報》上發(fā)表了一篇研究論文，介紹了他們發(fā)明了一種基于激光的復(fù)雜玻璃部件3D打印新技術(shù)。該團隊使用了基于多光子聚合技術(shù)的最新開發(fā)技術(shù)來打印高精度的玻璃物體，而無需依靠常規(guī)的3D打印逐層制造，并且認(rèn)為他們的方法可以用于3D打印復(fù)雜的光學(xué)器件。未來有望應(yīng)用在基于激光的成像和視覺領(lǐng)域。

“玻璃是用于制造光學(xué)器件的主要材料之一。我們的研究成果只是開發(fā)一種工藝的第一步，可能有一天使科學(xué)家能夠3D打印所需的光學(xué)組件，”菲涅爾研究所 和 馬賽中央理工學(xué)院的研究團隊負(fù)責(zé)人Laurent Gallais說 。

逐層3D打印對于用玻璃制造物體不是理想的選擇。使用粘稠的樹脂，很難獲得具有一致厚度的層，并且復(fù)雜零件通常需要支撐，在打印結(jié)束時需要除去，從而使整個零件的制造速度進一步降低。

“大多數(shù)3D打印過程都是逐層構(gòu)建對象的。我們的新工藝通過使用激光束將液態(tài)前驅(qū)物轉(zhuǎn)化（或聚合）成固態(tài)玻璃，避免了這些工藝的局限性�！盙allais解釋說。


通過多光子聚合，將液體單體分子連接到固體聚合物中的過程（又名聚合反應(yīng)）發(fā)生在精確的激光焦點上，使得3D打印尺寸小至數(shù)十毫米小而精確的零件成為可能，分辨率很高。但是，它仍然有些復(fù)雜。

當(dāng)使用這種方法對玻璃進行3D打印時，特定材料在初始液相期間以及在完全聚合后，在特定的激光波長下必須要保持是透明的。另外，它需要吸收來自激光器的波長一半的光能量來引發(fā)多光子聚合。因此，該團隊使用了一種與光化學(xué)引發(fā)劑的混合物來吸收光：大量的二氧化硅納米顆粒和一種樹脂。

研究論文摘要指出：“我們引入了一種基于激光的工藝，依靠多光子誘導(dǎo)的聚合反應(yīng)來生產(chǎn)復(fù)雜的三維（3D）玻璃部件。聚焦的強激光束用于通過非線性吸收過程在激光束的波長下聚合負(fù)載有添加劑和二氧化硅納米粒子的透明樹脂。直接在容器中創(chuàng)建對象，克服了逐層過程的限制。該方法能夠通過連續(xù)的脫脂和燒結(jié)過程生產(chǎn)二氧化硅零件。利用整體二氧化硅的密度和取決于激光光斑尺寸的分辨率，可以得到厘米級的3D對象�！�


研究團隊的高粘度混合物不僅可以與激光一起使用，而且還可以3D打印零件而不會出現(xiàn)變形問題或使用支撐結(jié)構(gòu)。

“這項技術(shù)的關(guān)鍵是基于Strickland的高功率超短激光器和穆魯?shù)腸hi脈沖放大技術(shù)，該技術(shù)在2018年獲得了諾貝爾獎。只有強脈沖和非常短的脈沖才能產(chǎn)生高精度且無熱效應(yīng)的非線性光聚合。”。

一旦他們確認(rèn)可以使用其二氧化硅納米顆粒混合物制成固體物體，研究人員就可以3D打印出復(fù)雜的玻璃物體，而沒有任何裂紋或孔隙，例如微型的埃菲爾鐵塔和自行車。此外，他們能夠?qū)⒕酆系牧慵�轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡЯ慵��?br />

未來，研究工作還包括通過使用更便宜的激光器來降低成本，從而讓這項技術(shù)變得更加實用。

Gallais說：“我們的方法可能會被用于生產(chǎn)各種各樣3D玻璃物體。例如，我們正在探索生產(chǎn)可用于豪華手表或香水瓶玻璃部件的可能性�！�

該團隊還希望通過其技術(shù)提高3D打印的玻璃零件的表面質(zhì)量，減少零件的粗糙度。


參考資料：
論文：T. Doualle, J.-C. Andre, L. Gallais, “3D-printing of silica glass through multiphoton polymerization process,” Opt. Lett., 46, 2, 364-367 (2021).
DOI: https://doi.org/10.1364/OL.414848