蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院通過3D打印來生產(chǎn)復(fù)雜的玻璃物體

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在已使用一種新技術(shù)通過3D打印來生產(chǎn)復(fù)雜的玻璃物體。該方法基于立體光刻技術(shù)，是1980年代開發(fā)的首批3D打印技術(shù)之一。由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院AndréStudart帶領(lǐng)的復(fù)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(jié)合的有機(jī)分子。研究人員在《Natural Materials》上報告了他們的研究結(jié)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(shù)家，科學(xué)家和技術(shù)專家。從古代吹塑的發(fā)明到十九世紀(jì)被廣泛使用的紡絲和手動軋制技術(shù)，玻璃制造一直是一種高度經(jīng)驗和費力的藝術(shù)。第一次工業(yè)革命帶來的自動化導(dǎo)致了吹塑和鑄造工藝的機(jī)械化，為生產(chǎn)率和質(zhì)量設(shè)定了新的標(biāo)準(zhǔn)。在工業(yè)化階段的工藝創(chuàng)新在玻璃技術(shù)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(qiáng)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(chǎn)品的可再現(xiàn)性、性能和質(zhì)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(shù)玻璃作品產(chǎn)生的復(fù)雜形狀相比仍然非常有限。

三維（3D）打印技術(shù)的出現(xiàn)為在完全數(shù)字化制造過程中制造復(fù)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(xiàn)代工業(yè)過程提供的自動化與比手工藝術(shù)勞動更高的幾何復(fù)雜性相協(xié)調(diào)。使用3D打印生產(chǎn)玻璃物體并不容易。世界各地只有少數(shù)研究人員嘗試使用增材法生產(chǎn)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(shè)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(jié)制成玻璃。但是，以這種方式產(chǎn)生的物體不是很復(fù)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(shù)字光處理（DLP）打印機(jī)創(chuàng)建具有高分辨率和多氧化物化學(xué)成分的復(fù)雜形狀的玻璃。樹脂主要包括醇鹽無機(jī)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(shù)字光處理技術(shù)進(jìn)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(lián)。塑料單體結(jié)合形成迷宮狀結(jié)構(gòu)，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(shù)，包括氣孔尺寸:弱光導(dǎo)致毛孔粗大；強(qiáng)烈的光照會產(chǎn)生小孔。馬薩尼亞表示他們偶然發(fā)現(xiàn)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(jī)創(chuàng)建的各種玻璃物品。圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)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(jié)構(gòu)。復(fù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(lián)邦理工學(xué)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(chǎn)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(biāo)。目的是證明生產(chǎn)的可行性玻璃物體復(fù)雜幾何圖形的三維打印。然而，新技術(shù)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(jīng)銷商進(jìn)行談判，該經(jīng)銷商希望在他的公司中使用這項技術(shù)。