玻璃3D打�。翰牧稀⒐に囘^(guò)程與應(yīng)用

玻璃3D打印是增材制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)，能夠產(chǎn)生一條可以一次打印一層的熔融線，這一過(guò)程與熔融沉積成型 (FDM) 打印機(jī)非常相似，但工作溫度大約比FDM高10倍。3D打印玻璃引起了科學(xué)家和藝術(shù)家的廣泛關(guān)注，為玻璃的定制制造提供了新途徑。接下來(lái)，南極熊將詳細(xì)介紹玻璃3D打印的工作原理、打印機(jī)的組成部分，以及玻璃3D打印在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用！



玻璃 3D 打�。夯�礎(chǔ)知識(shí)


△玻璃打印

玻璃3D打印不像木材或金屬填充的長(zhǎng)絲那樣容易制造，木材和金屬小顆粒能夠分散在長(zhǎng)絲中，模仿材料的紋理。但真正的玻璃3D打印機(jī)需要純玻璃來(lái)打印(有些人已經(jīng)找到了在樹(shù)脂中添加玻璃顆粒來(lái)進(jìn)行打印的方法），目前常用和主流的仍然是FDM式打印機(jī)，因此南極熊將重點(diǎn)放在這些打印機(jī)上，最后再介紹最玻璃-樹(shù)脂打印。

從粉碎玻璃、熔化玻璃，到制造打印機(jī)所需的燈絲，需要執(zhí)行很多步驟。目前，該領(lǐng)域的許多人正在生產(chǎn)自己的庫(kù)存材料。然后使用3D打印機(jī)將熔融玻璃一層又一層地以線條的形式打印出來(lái)。整個(gè)流程與FDM相似，但最大的區(qū)別在于玻璃3D打印機(jī)需要更多的熱量，打印溫度高達(dá)1,300 °C，腔室溫度高達(dá)400 °C，是一個(gè)熱噴嘴！

材料


△從瓶子到碎片到玻璃棒再到打印！

玻璃的種類有很多，鈉鈣玻璃、藝術(shù)玻璃、水晶玻璃，甚至回收玻璃瓶等玻璃都可以進(jìn)行3D打印，其中不同的細(xì)絲由不同的材料制成，需要不同的溫度。

玻璃 3D 打印機(jī)（例如Maple Glass Printing 的 Maple 3）使用玻璃棒，玻璃棒通過(guò)頂部的孔插入玻璃 3D 打印機(jī)，通向加熱元件，然后通向噴嘴。通過(guò)粉碎機(jī)后，廢玻璃進(jìn)入設(shè)備Vitri-Glass來(lái)變成玻璃棒，該設(shè)備將熔融玻璃拉成棒，可以生產(chǎn)直徑在3.5至6毫米之間的玻璃棒，用于玻璃3D打印機(jī)。玻璃3D打印非常適合回收，玻璃甚至可以一次又一次地回收，而不會(huì)降低性能。

打印過(guò)程


△打印外殼

通過(guò)上述步驟，玻璃棒已準(zhǔn)備好了，下面可以裝入打印機(jī)進(jìn)行打印了。請(qǐng)注意，這些玻璃棒沒(méi)有纏繞在線軸上，并且需要在打印時(shí)連續(xù)加載到打印機(jī)中。有些打印機(jī)可​內(nèi)置有玻璃棒擠壓件，例如麻省理工學(xué)院 Neri Oxman 的研究小組生產(chǎn)的設(shè)備。

玻璃 3D 打印機(jī)必須將玻璃棒或碎片的溫度提高到 1,300 °C 左右，使其足夠軟以進(jìn)行擠出，具體取決于玻璃的類型。無(wú)論哪種形狀的玻璃，都必須到達(dá)這種極端的熱量才能打印到平臺(tái)上。

與大多數(shù)當(dāng)前的3D 打印機(jī)和CNC 機(jī)器一樣，玻璃 3D 打印使用 G 代碼來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)打印指令。在打印室內(nèi)，正在進(jìn)行的打印部件處于 400 °C 的高溫下，直到打印完成并開(kāi)始緩慢冷卻至室溫。后處理取決于所需的最終用途。這項(xiàng)技術(shù)還處于早期研發(fā)階段，相信隨著這一領(lǐng)域的不斷發(fā)展，打印機(jī)的具體設(shè)置可能會(huì)有所不同。

玻璃打印與玻璃的傳統(tǒng)制造


△玻璃制造商

3D打印玻璃不會(huì)很快對(duì)傳統(tǒng)的大規(guī)模玻璃生產(chǎn)方法構(gòu)成挑戰(zhàn)。與3D打印塑料一樣，這種玻璃制造最適合用傳統(tǒng)方法（在本例中為玻璃吹制）難以或不可能實(shí)現(xiàn)的小眾、定制或復(fù)雜模型。

玻璃吹制是一項(xiàng)復(fù)雜且對(duì)體力要求很高的技術(shù)，需要多年的培訓(xùn)才能進(jìn)行專業(yè)的操作。對(duì)于那些偶爾需要定制玻璃片或?qū)Υ祟I(lǐng)域不熟悉的人來(lái)說(shuō)，玻璃制造是一個(gè)巨大的障礙。擁有一臺(tái)玻璃3D打印機(jī)可以使該材料的生產(chǎn)變得像塑料一樣容易生產(chǎn)。麻省理工學(xué)院致力于改進(jìn)玻璃3D打印機(jī)的研究人員表示能夠控制打印玻璃表面的紋理，包括玻璃吹制無(wú)法實(shí)現(xiàn)的內(nèi)表面控制。

應(yīng)用領(lǐng)域


△藝術(shù)與技術(shù)的結(jié)合是神奇的

許多從事玻璃3D打印的公司和科學(xué)家將藝術(shù)、建筑、光學(xué)、研究和珠寶視為目前將看到玻璃3D打印優(yōu)勢(shì)的主要領(lǐng)域。奧克斯曼 (Oxman)結(jié)合了藝術(shù)、材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)工程，創(chuàng)造了一些令人驚嘆的結(jié)構(gòu)。

作為一種藝術(shù)媒介，3D打印玻璃可以實(shí)現(xiàn)具有獨(dú)特曲率和內(nèi)部幾何形狀的精確且重復(fù)的沉積線。當(dāng)光線沿著層線和表面紋理分散和反射時(shí)，穿過(guò)玻璃結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生美麗、迷人的極光效果。


推動(dòng)玻璃打印向前發(fā)展的另一個(gè)應(yīng)用是科學(xué)研究。玻璃器皿因其強(qiáng)度、化學(xué)惰性和透明度而成為多個(gè) STEM 領(lǐng)域不可替代的實(shí)驗(yàn)資產(chǎn)，并且需要定制。一個(gè)例子是微流體裝置，研究人員用它來(lái)對(duì)極少量的材料進(jìn)行受控實(shí)驗(yàn)。這些設(shè)備包含復(fù)雜的內(nèi)部通道網(wǎng)絡(luò)，目前的生產(chǎn)非常耗時(shí)，玻璃3D打印可能會(huì)改變這一點(diǎn)；然而，這項(xiàng)技術(shù)還未得到全面應(yīng)用。

對(duì)于微流體等應(yīng)用所需的小型且復(fù)雜的特征，F(xiàn)DM 式方法可能并不理想，樹(shù)脂打印能夠達(dá)到更高的分辨率，一家名為 Glassomer 的初創(chuàng)公司的目標(biāo)就是做到這一點(diǎn)。

樹(shù)脂玻璃


△通過(guò)玻璃打印生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)性微流體裝置

Glassomer是一家由卡爾斯魯厄理工學(xué)院研究實(shí)驗(yàn)室NeptunLab成立的德國(guó)初創(chuàng)公司，使用含有無(wú)定形二氧化硅的液體玻璃樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)玻璃3D打印。據(jù)該初創(chuàng)公司稱，這種含玻璃樹(shù)脂可以在任何桌面樹(shù)脂 3D 打印機(jī)上打印。

后處理需要將打印件放入溫度達(dá)到 1,300 °C 的烤箱中進(jìn)行燒結(jié)，以熔化聚合物粘合劑并將玻璃顆粒融合成固體透明件。該公司聲稱，盡管材料熔化了，但部件在所有方向上收縮后仍能保持其形狀。這種類型玻璃打印的表面粗糙度低至幾納米，并允許制造復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)。打印這種樹(shù)脂的主要限制是它的壁厚：不能大于 1 厘米，否則會(huì)導(dǎo)致玻璃內(nèi)部破裂。

商業(yè)設(shè)備


△玻璃3D打印設(shè)備

玻璃3D打印作為一項(xiàng)新技術(shù)，參與其中的人并不多。上文已經(jīng)提到了玻璃 3D 打印領(lǐng)域的幾個(gè)參與者，但大部分仍處于研發(fā)階段。Maple Glass Printing成為唯一一家提供商業(yè)玻璃 3D 打印設(shè)備的公司。

Maple Glass Printing總部位于澳大利亞，目標(biāo)是通過(guò)在打印機(jī)中使用玻璃來(lái)提高玻璃的回收率，從而推動(dòng)可持續(xù)創(chuàng)造，并對(duì)垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)生積極影響。他們現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)第三代打印機(jī)——Maple 3。

Maple 3 可以在官網(wǎng)購(gòu)買，發(fā)布價(jià)格為 45,000 美元。如果希望能夠用回收的玻璃制造自己的玻璃絲，用戶可以購(gòu)買Vitri-Glass，這是他們的高通量自動(dòng)化玻璃絲擠出機(jī)，價(jià)格為 15,000 美元。

目前還沒(méi)有很多專門做玻璃3D商業(yè)打印的廠家，隨著大量研究和研發(fā)工作的推動(dòng)，相信將此類技術(shù)能夠更快地推向市場(chǎng)。


△這些微結(jié)構(gòu)由玻璃樹(shù)脂制成

玻璃3D打印的未來(lái)有很多值得期待的地方。麻省理工學(xué)院正在研究先進(jìn)的玻璃 3D 打印技術(shù)，他們創(chuàng)建了一種低溫解決方案，可以使打印溫度從約 1,000-1,400 °C 降至僅 250 °C。低溫玻璃制造不僅可以使打印機(jī)更安全并減少能耗，而且還可以添加改變玻璃特性的添加劑。

總而言之，可以看到玻璃3D打印還處于起步階段，還有很大的增長(zhǎng)空間，尤其是在普及方面。希望在銷售商業(yè)設(shè)備的公司的幫助下，玻璃3D打印的未來(lái)將變得更高效、更容易使用，從而不斷擴(kuò)大和發(fā)展。