3D打印玻璃：多光子聚合透明硅树脂，二氧化硅纳米颗粒

南极熊导读：3D打印玻璃非常困难，主要是因为很难在高熔点下保持材料的机械性能。但是，来自法国的三位研究人员在光学学会（OSA）的《光学快报》上发表了一篇研究论文，介绍了他们发明了一种基于激光的复杂玻璃部件3D打印新技术。该团队使用了基于多光子聚合技术的最新开发技术来打印高精度的玻璃物体，而无需依靠常规的3D打印逐层制造，并且认为他们的方法可以用于3D打印复杂的光学器件。未来有望应用在基于激光的成像和视觉领域。

“玻璃是用于制造光学器件的主要材料之一。我们的研究成果只是开发一种工艺的第一步，可能有一天使科学家能够3D打印所需的光学组件，”菲涅尔研究所 和 马赛中央理工学院的研究团队负责人Laurent Gallais说 。

逐层3D打印对于用玻璃制造物体不是理想的选择。使用粘稠的树脂，很难获得具有一致厚度的层，并且复杂零件通常需要支撑，在打印结束时需要除去，从而使整个零件的制造速度进一步降低。

“大多数3D打印过程都是逐层构建对象的。我们的新工艺通过使用激光束将液态前驱物转化（或聚合）成固态玻璃，避免了这些工艺的局限性。”Gallais解释说。


通过多光子聚合，将液体单体分子连接到固体聚合物中的过程（又名聚合反应）发生在精确的激光焦点上，使得3D打印尺寸小至数十毫米小而精确的零件成为可能，分辨率很高。但是，它仍然有些复杂。

当使用这种方法对玻璃进行3D打印时，特定材料在初始液相期间以及在完全聚合后，在特定的激光波长下必须要保持是透明的。另外，它需要吸收来自激光器的波长一半的光能量来引发多光子聚合。因此，该团队使用了一种与光化学引发剂的混合物来吸收光：大量的二氧化硅纳米颗粒和一种树脂。

研究论文摘要指出：“我们引入了一种基于激光的工艺，依靠多光子诱导的聚合反应来生产复杂的三维（3D）玻璃部件。聚焦的强激光束用于通过非线性吸收过程在激光束的波长下聚合负载有添加剂和二氧化硅纳米粒子的透明树脂。直接在容器中创建对象，克服了逐层过程的限制。该方法能够通过连续的脱脂和烧结过程生产二氧化硅零件。利用整体二氧化硅的密度和取决于激光光斑尺寸的分辨率，可以得到厘米级的3D对象。”


研究团队的高粘度混合物不仅可以与激光一起使用，而且还可以3D打印零件而不会出现变形问题或使用支撑结构。

“这项技术的关键是基于Strickland的高功率超短激光器和穆鲁的chi脉冲放大技术，该技术在2018年获得了诺贝尔奖。只有强脉冲和非常短的脉冲才能产生高精度且无热效应的非线性光聚合。”。

一旦他们确认可以使用其二氧化硅纳米颗粒混合物制成固体物体，研究人员就可以3D打印出复杂的玻璃物体，而没有任何裂纹或孔隙，例如微型的埃菲尔铁塔和自行车。此外，他们能够将聚合的零件转变为玻璃零件。


未来，研究工作还包括通过使用更便宜的激光器来降低成本，从而让这项技术变得更加实用。

Gallais说：“我们的方法可能会被用于生产各种各样3D玻璃物体。例如，我们正在探索生产可用于豪华手表或香水瓶玻璃部件的可能性。”

该团队还希望通过其技术提高3D打印的玻璃零件的表面质量，减少零件的粗糙度。


参考资料：
论文：T. Doualle, J.-C. Andre, L. Gallais, “3D-printing of silica glass through multiphoton polymerization process,” Opt. Lett., 46, 2, 364-367 (2021).
DOI: https://doi.org/10.1364/OL.414848