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

來(lái)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(guò)3D打印來(lái)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(kāi)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(kāi)發(fā)了一種特殊的樹(shù)脂，該樹(shù)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(bào)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(zhuān)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(dòng)軋制技術(shù)，玻璃制造一直是一種高度經(jīng)驗(yàn)和費(fèi)力的藝術(shù)。第一次工業(yè)革命帶來(lái)的自動(dòng)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(kāi)發(fā)就是例證。盡管自動(dòng)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(guò)這些方法獲得的對(duì)稱(chēng)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(guò)程中制造復(fù)雜形狀的物體開(kāi)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(guò)程提供的自動(dòng)化與比手工藝術(shù)勞動(dòng)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(guò)印刷熔融玻璃制成物體的，但缺點(diǎn)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(zhǎng)”物體的光
研究者發(fā)表了一種簡(jiǎn)單的3D打印過(guò)程，該過(guò)程依賴(lài)于液態(tài)樹(shù)脂的相分離，以使用臺(tái)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(shù)脂主要包括醇鹽無(wú)機(jī)前體，光活性單體混合物和吸光染料（見(jiàn)下圖）。該樹(shù)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(shù)脂光線模式。光照射到樹(shù)脂的任何地方，它都會(huì)變硬，因?yàn)榫酆衔飿?shù)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(gè)迷宮的空隙。


圖1. DLP 3D打印相分離樹(shù)脂

因此，一個(gè)物體可以一層一層地建造起來(lái)。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(huì)產(chǎn)生小孔。馬薩尼亞表示他們偶然發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，但是可以用它來(lái)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(lái)源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

研究人員還能夠通過(guò)將二氧化硅與硼酸鹽或磷酸鹽混合并將其添加到樹(shù)脂中來(lái)逐層修改微觀結(jié)構(gòu)。復(fù)雜的物體可以由不同類(lèi)型的玻璃制成，甚至可以使用該技術(shù)組合到同一對(duì)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(guò)程中，物體會(huì)明顯收縮，但會(huì)變得像窗玻璃一樣透明和堅(jiān)硬。

毛坯（左）以600度燒制以消除塑料框架。在第二個(gè)燒制步驟中，物體變成玻璃（右）。圖片來(lái)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(guò)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(shí)際上并不是該項(xiàng)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(gè)噱頭。研究人員申請(qǐng)了一項(xiàng)專(zhuān)利，目前正在與一家主要的瑞士玻璃器皿經(jīng)銷(xiāo)商進(jìn)行談判，該經(jīng)銷(xiāo)商希望在他的公司中使用這項(xiàng)技術(shù)。