麻省理工學(xué)院：實現(xiàn)低溫3D打印玻璃，可獲得獨特的光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)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(xué)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(xué)院科學(xué)家的低溫玻璃 3D 打印工作流程。圖片來自麻省理工學(xué)院林肯實驗室。

傳統(tǒng)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(tǒng)，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(chǎn)”，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(tǒng)，可以調(diào)整它來打印各種帶有嵌入納米材料（電介質(zhì)、金屬和光學(xué)）的無機玻璃，以獲得相應(yīng)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(jié)合，能夠制造各種強大的微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

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(shù)已開始顯示出巨大的潛力，它可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)玻璃加工更復(fù)雜的幾何形狀。 例如，使用多材料技術(shù)，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(xué)透鏡和微流體裝置等部件。現(xiàn)在可以使用3D打印技術(shù)實現(xiàn)亞毫米級特征，還可以生產(chǎn)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(dāng)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(chǎn)生穩(wěn)定的玻璃結(jié)構(gòu)。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(chǎn)玻璃的常用方法仍需要高溫條件。


△高度填充的納米復(fù)合材料。圖片來自麻省理工學(xué)院林肯實驗室。

麻省理工學(xué)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(fù)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(dǎo)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(tǒng)對其進行制造。

△基于硅酸鹽墨水的光學(xué)和化學(xué)定制玻璃

在打印了一些基本的形狀和結(jié)構(gòu)之后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)將結(jié)構(gòu)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(xué)透明度比燒結(jié)部件的光學(xué)透明度低）。 通過后續(xù)的成像分析，研究人員還發(fā)現(xiàn)他們能夠使用原型電阻器實現(xiàn)不同的走線長度，并調(diào)整材料的介電常數(shù)水平以改變所生產(chǎn)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(jù)該團隊稱，他們的實驗表明，他們的工藝可以定制以生產(chǎn)電子材料和集成微系統(tǒng)。展望未來，科學(xué)家們計劃繼續(xù)研究以提高所生產(chǎn)零件的光學(xué)清晰度，作為進一步擴大他們的潛在應(yīng)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(xué)反應(yīng)器的制造，此外還可以制造許多新穎的高功率射頻設(shè)備。


△麻省理工學(xué)院林肯實驗室。照片來自麻省理工學(xué)院。

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


△3D打印玻璃樣品和成像結(jié)果


●2021年2月，弗萊堡大學(xué)的科學(xué)家此前曾與Nanoscribe合作，利用雙光子聚合3D打印技術(shù)打印了二氧化硅玻璃的微結(jié)構(gòu)。同樣，通過使用 Glassomer 材料，合作團隊發(fā)現(xiàn)他們能夠制造出表面粗糙度僅為6納米的復(fù)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(lǐng)域的另一家領(lǐng)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(lián)合創(chuàng)始人劉春新透露，它的目標(biāo)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