玻璃3D打印的快速演变

与采用传统方法相比,用3D打印技术制造玻璃品有几个明显的优点:其一是能做出非常复杂的形状,其二是能做出嵌入式的微流体通道,从而令产品具实际功能。

3D打印玻璃的起源可以追溯到2009年。那之后,世界各地便相继涌现出了多种不同的3D打印玻璃工艺。

以色列Micron3DP公司就是首批3D打印玻璃玩家之一。他们采用的技术是与FDM类似的熔融挤出,速度快,分辨率也不错,最高加热温度可达1640摄氏度,能打印钠钙玻璃和硼硅酸盐玻璃。未来,该公司希望能进一步开发出更多可以被3D打印的玻璃材料。

▲Micron3DP的3D打印玻璃品

著名高等学府美国麻省理工学(MIT)是Micron3DP之后的新玩家,研制出了一台叫做G3DP的玻璃。它同样采用了熔融挤出技术,但打印尺寸更大,制造能力也更强(能连续沉积30kg的熔融玻璃),同时采用了更强的数字集成热控制系统和新型的四轴运动控制系统 — 前者可以很好地控制玻璃成型的各个阶段,后者则能够精确控制流量和打印的精度。

更棒的是,这台机器还能控制打印层厚,以及玻璃的透明度、颜色、透射、反射和折射等参数。机器本身包含一个窑,而玻璃原材料就是在那里被融化,然后通过喷嘴挤出的。

▲MIT的3D打印玻璃品

不过,并非所有的玻璃3D打印机采用的都是熔融挤出技术,比如今年早些时候,德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)就通过光固化技术(SLA)实现了玻璃的3D打印。这种方法的优点在于能做出更加微小且复杂的对象。

▲KIT的3D打印玻璃品

据KIT研究人员介绍,他们的技术比传统的玻璃生产方法更快,并且不需要化学蚀刻。所用的材料是一种混合溶液,其中玻璃粉末会悬浮在液态光敏树脂中。打印完成后将产品放在高温烘箱中加热烧掉树脂,就得到了纯玻璃制品。

2016年,德国Fraunhofer陶瓷技术和IKTS 系统研究所研发了一项3D打印新技术,可以打印微反应器这样非常复杂、微小部件。金属、玻璃或陶瓷粉末材料被均匀的混合在粘合剂中。粘度也是精确控制,混入的粉末材料既不能太“稀”也不能太“稠”,这样打印机才能进行流畅的打印。

Fraunhofer研究所研发的这项3D打印技术可打印的材料是陶瓷、玻璃或金属粉末悬浮液。陶瓷、玻璃或金属粉末被混合在一种低熔点的热塑性粘合剂中,热塑性粘合剂在80摄氏度时就会融化成为液体。在打印过程中,打印机的电性温度熔化了粘合剂,并混合着陶瓷、玻璃或金属粉末材料以液滴的形式被沉积下来。沉积后液滴迅速冷却变硬,三维对象就这样被点对点逐渐打印出来。

2017年,劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)位于加利福尼亚的研究人员创造了一系列定制玻璃油墨,他们认为他们已经解决了那些导致多孔或非均匀结构的问题。

LLNL采用的玻璃颗粒的浓缩悬浮液油墨具有高度控制的流动性能,并因此可以在室温下满足打印需求。LLNL的研究人员介绍说这些特殊油墨可以进行热处理,增强密度并消除打印过程中的其他问题。热处理完成后,研究人员还可以进行光学质量的抛光,使零件更均匀更复合光学性能的要求。3D科学谷了解到,LLNL的3D打印技术可以用来创建成分梯度,这些3D打印的光学组件可以用来降低光学系统的尺寸、重量或成本。

LLNL的方法可以用于制造诸如激光器之类的光学应用玻璃,3D打印使得这种玻璃的制造更容易、更便宜。

玻璃3D打印在短时间内已经走了很长的一段路 – 只是在几年前,玻璃3D打印根本就不存在。现在,3D打印玻璃正在应用到从艺术到建筑,再到光学和微流控等领域。 虽然3D打印玻璃不太可能取代玻璃制造传统方法,但这种工艺却有力地补充了传统制造工艺所不能实现的领域。

《麻省理工(MIT)开发出高精度玻璃3D打印技术》

《3D打印透明玻璃,光固化(SLA)技术变种》

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来源:3D科学谷