法国科研人员3D打印出高致密、高透明磷酸盐光学玻璃

3D打印玻璃一直是一个前沿的课题，我们很少看到研究机构在这方面取得突破性进展的报道，一方面是玻璃的熔点很高，另外想要打印出致密的结构非常困难。

2020年7月21日，南极熊从外媒获悉，来自ICMCB-CNRS实验室和波尔多大学的研究人员开发了一种通过FDM技术3D打印磷酸盐玻璃的方法。据悉，3D打印出的磷酸盐玻璃保留了玻璃的物理特性，体积孔隙率仅为0.02%。该项研究已经发表咋《Materials & Design》杂志上。

那么他们是如何实现3D打印玻璃的呢？

研究人员首先从母体玻璃预制件中使用纤维拉丝塔拉出玻璃丝，然后通过FDM 3D打印机制造出高致密和透明的掺铕磷酸盐玻璃结构。该团队认为，其直接制造透明玻璃的方法不但可以为开发尖端的光学元件开辟新的视野，而且还可以促进新的生物医学解决方案。

△3D打印磷酸盐玻璃的整个工艺流程

磷酸盐玻璃

磷酸盐玻璃是光学玻璃的一种，这是一种具有折射特性的材料，使其成为光学系统中透镜、光纤和其他组件的完美材料。由于不透明度变化和某些结晶现象，这种材料的3D打印多年来一直没有被科学家们发现。

根据研究人员的说法，过去任何半成功的尝试都因其不幸缺乏分辨率或密度而受阻。如果能够增材制造出高密度、亚毫米分辨率的玻璃物体，就可以制造出一整套低成本的几何复杂的光子器件--这也是波尔多研究的最终目标。

挤出玻璃丝

研究的第一阶段是开发基础磷酸盐玻璃丝。该材料是在800℃的铂金坩埚中特别配制的，然后被拉成1.9毫米粗的棒状。由于熔化和挤出磷酸盐玻璃所需的温度非常高，该团队不得不在入门级的Prusa i3 机上配备一个定制的热端和打印床。通过重重修改，打印机最终拥有了470°C的喷嘴和320°C的热床温度，以使实验顺利进行。

△3D打印过程，图片来自波尔多大学

a.熔融沉积FDM 3D打印磷酸盐玻璃.b.使用直径0.4mm的镀镍铜喷嘴打印高密玻璃零件.c.磷酸盐玻璃3D打印CNRS标志

通过在研究中对一些打印参数的调查，该团队成功地实现了99.98%的令人难以置信的高密度，并避免了零件内不必要的光散射。利用SEM图像和X射线断层扫描技术进行了全面系统的微观结构表征，研究团队还发现了线间结合质量与透光率之间的相关性。

△打印的结构显示出非常低的孔隙率，约为0.02%，图片来自波尔多大学

研究中最显著的结果是，打印玻璃结构保持了它们的光学发光特性，这意味着它们在整个过程中显示出均匀的光传输。这一特性在任何高科技的光学系统中都是绝对关键的，因此这项工作在制造高性价比的终端组件方面显示出巨大的潜力。

△丝材和打印件在整个过程中表现出均匀的光分布，图片来自波尔多大学

关于这项研究的进一步细节，可以在题为‘Direct 3D-printing of phosphate glass by fused deposition modeling’的论文中找到。该论文由Reda Mohammed Zaki、Clément Strutynski、Simon Kaser等人共同撰写。

其他3D打印玻璃的进展

波尔多的科学家们并不是第一个尝试3D打印玻璃的人。瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员此前曾利用一种专门的树脂和DLP 3D打印技术3D打印玻璃物体。该方法利用混合树脂内的光聚合诱导相分离，从塑料和有机混合物中创造出复杂的玻璃部件。

在加拿大的拉瓦尔大学，研究人员开发了一种适合激光和红外光学应用的3D打印玻璃。该材料的熔化温度相对较低，约为330°C，这意味着它可以通过改装后的入门级桌面3D打印机进行挤出。

横滨国立大学采用立体光刻技术通过CAD文件从悬浮在液体中的粉末中中打印出物体。将激光照射到液体和粉末悬浮液（称为胶体）中，可以从这种液体中逐层构建物体。粒子间光可交联悬浮液通过快速加热剖面实现透明二氧化硅玻璃组件的3D结构化。

麻省理工大学3D打印玻璃的视频演示

苏黎世联邦理工学院的3D打印玻璃视频演示

编译自：3dprintingindustry