麻省理工學院：實現低溫3D打印玻璃，可獲得獨特的光學、電學和化學特性！

2022年6月，南極熊獲悉，受到美國國防部資助的麻省理工學院林肯實驗室的研究人員提出了一種新的低溫方法來制造3D打印玻璃物體。


△麻省理工學院科學家的低溫玻璃 3D 打印工作流程。圖片來自麻省理工學院林肯實驗室。

傳統的玻璃3D打印需要將部件放置在1,000°C或更高的溫度下進行打印和后處理。在此項研究中，研究人員打破了傳統，他們開發(fā)了定制的高度填充的墨水，可在 250°C下固化。由于其材料成分的易獲得且工藝十分簡單性，該團隊認為它可以“促進玻璃物體的大量生產”，并使之具有獨特的特性。研究人員在文章中展示了一個模塊化系統，可以調整它來打印各種帶有嵌入納米材料（電介質、金屬和光學）的無機玻璃，以獲得相應的功能。 研究人員認為此款多功能材料平臺可以與多材料增材制造相結合，能夠制造各種強大的微結構系統。

玻璃3D打印的散熱問題
盡管玻璃3D打印仍處于相對早期的發(fā)展階段，但該技術已開始顯示出巨大的潛力，它可以實現比傳統玻璃加工更復雜的幾何形狀。 例如，使用多材料技術，研究人員能夠制造出具有更高機械強度和漸變折射率的光學透鏡和微流體裝置等部件。現在可以使用3D打印技術實現亞毫米級特征，還可以生產具有特定功能的玻璃。

3D打印玻璃的原理很簡單那，但實際操作還需要克服很多的問題，當通過立體光刻、雙光子光刻或直接墨水書寫 (DIW) 打印玻璃時，無論是在沉積過程中還是在脫脂過程中，都需要高溫條件，從而產生穩(wěn)定的玻璃結構。但此過程中，也需要使用專門的耐火齒輪，并且它們可能與熱敏材料不相容，從而限制了用戶對原料的選擇。 研究人員在文章中指出，與其他增材制造材料相比，玻璃在提高生物相容性和增強熱穩(wěn)定性方面更具有優(yōu)勢，但目前生產玻璃的常用方法仍需要高溫條件。


△高度填充的納米復合材料。圖片來自麻省理工學院林肯實驗室。

麻省理工學院的低溫制造
研究人員此次的低溫替代方案的核心是基于定制的納米復合材料。該墨水由嵌入硅酸鈉溶液中的功能性納米顆粒以及導電的銀顆粒組成，可在比正常溫度低得多的溫度下打印。研究團隊通過DIW的3 軸Aerotech龍門打印系統對其進行制造。

△基于硅酸鹽墨水的光學和化學定制玻璃

在打印了一些基本的形狀和結構之后，科學家們發(fā)現將結構和墨水桶安裝到機器的兩個獨立z軸上，可以創(chuàng)建電容器和電阻器。這些部件顯示出高度的穩(wěn)定性（盡管它們的光學透明度比燒結部件的光學透明度低）。 通過后續(xù)的成像分析，研究人員還發(fā)現他們能夠使用原型電阻器實現不同的走線長度，并調整材料的介電常數水平以改變所生產電容器的容量，其中由鋇、鍶和鈦氧化物制成的電容器具有最高的功率。

據該團隊稱，他們的實驗表明，他們的工藝可以定制以生產電子材料和集成微系統。展望未來，科學家們計劃繼續(xù)研究以提高所生產零件的光學清晰度，作為進一步擴大他們的潛在應用。 研究人員相信，相信這種基于硅酸鹽材料的打印方式能夠促進微流控化學反應器的制造，此外還可以制造許多新穎的高功率射頻設備。


△麻省理工學院林肯實驗室。照片來自麻省理工學院。

玻璃3D打印
●作為玻璃3D打印的初創(chuàng)公司之一，Glassomer已經制備了3D打印二氧化硅納米復合材料，2022年4月，該復合材料已在室溫下被3D打印成玻璃部件，其厚度相當于人類頭發(fā)的厚度。


△3D打印玻璃樣品和成像結果


●2021年2月，弗萊堡大學的科學家此前曾與Nanoscribe合作，利用雙光子聚合3D打印技術打印了二氧化硅玻璃的微結構。同樣，通過使用 Glassomer 材料，合作團隊發(fā)現他們能夠制造出表面粗糙度僅為6納米的復雜物體，遠低于許多其他玻璃部件的表面粗糙度（40-200 納米）。


△直立的微透鏡


●3D打印玻璃領域的另一家領先研究公司是Formnext 2021創(chuàng)業(yè)挑戰(zhàn)賽冠軍Nobula，該公司的首席執(zhí)行官兼聯合創(chuàng)始人劉春新透露，它的目標是在2022將專用的玻璃3D打印機和配套原料推向市場。


△100% 填充的 3D 打印玻璃