光学元件的突破，美LLNL研发折射率可定义的梯度玻璃3D打印技术

关于玻璃的打印，之前麻省理工学院研究人员已经发明了使用玻璃作为打印材料的3D打印方法，该过程被称为G3DP。G3DP被描述为使用光学透明玻璃用于高度精确3D打印的方法。该过程是可控制，并且可以提供透明度和颜色等打印选项。打印对象的厚度也可以控制，另外还可以控制打印物体的透射，反射和折射等参数。不过麻省理工的3D打印并没有实现玻璃材料微观层面的控制，也就是梯度打印。

如今美国LLNL劳伦斯摩尔国家实验室科学家研发出一种新的3D打印透明玻璃技术。无需曲面设计，就可以控制不同位置的光线折射率。科学家说这项研究可以改变激光和其他光学设备的制造方式。

尽管3D玻璃的打印还处于起步阶段，但一致性的看法是这将改变光学的制造工艺。通过增材制造来创造这种透明的东西是有趣的。以色列的3D打印机Micron3DP就是这一行列的先行者之一，通过反复试验，Micron3DP终于在把材料温度提升至850摄氏度之后成功地进行了玻璃的3D打印。而为了3D打印硼硅玻璃，这种玻璃通常会被用于制造更加耐用的器皿，比如在科学实验室中使用的那些玻璃器皿，公司能够把该材料的熔化温度提升至1640摄氏度。

然而，其它的研究者，并不认为FDM是最好的打印玻璃的方式，这些研究者还试图在较低的温度下3D打印制作玻璃制品。通常来说，FDM和立体3D打印技术不能够完全熔化玻璃问题，导致多孔或非均匀结构。LLNL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。这些由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。

“打印高质量的光学，不允许任何孔和线的存在，他们必须是透明的，”LLNL材料工程师Du Nguyen说。“大多数打印玻璃的其他技术是先熔化玻璃，然后冷却下来，这有可能产生残余应力并导致开裂。而我们是在室温下打印，避免了这些问题。”

LLNL打印出来的玻璃制品并不透明，但干燥和热处理后变得透明。这项研究可以让科学家们实现曲面的光学玻璃打印，其中包括在不同位置实现不同的折射率。通常抛光复杂或非球面镜片是相当劳动密集的工作，而且需要大量的技能，但抛光平坦的表面要容易得多，通过控制打印部件的折射率，你可以改变光的折射路径，这样可以使镜片进行平的抛光。

具体来说，3D打印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。“光学加工的研究和发展是走向自由曲面光学元件、光学、可以做几乎任何复杂形状的，”光学和材料科学与技术实验室的项目主任Tayyab Suratwala说。研究人员计划通过改变玻璃的成分来尝试3D打印高质量的光学和渐变折射率透镜。一个关键的挑战将是创建梯度折射率的光学原件，这需要更高的对材料的理解和对打印工艺的控制水平。

LLNL科学家还将尝试打印几何形状复杂的玻璃微流控器件。这项研究与明尼苏达大学和美国俄克拉荷马州立大学的科学家合作。根据市场研究，市场上或有一家技术与LLNL类似，德国Fraunhofer陶瓷技术和IKTS 系统研究所研发的3D打印新技术，不仅可以打印骨科植入物、假牙、手术工具等医疗产品，还可以打印微反应器这样非常复杂、微小部件。

Fraunhofer研究所研发的这项3D打印技术可打印的材料是陶瓷或金属粉末悬浮液。陶瓷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。

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。

来源：3D科学谷