南极熊导读：人们越来越需要玻璃作为制造复杂微观几何形状的材料，从紧凑型消费品中的微光学器件到用于化学合成和生物分析的微流体系统。随着玻璃的尺寸、几何形状、表面粗糙度和机械强度要求的发展，传统的加工方法受到挑战。科学家们介绍了熔融石英组件的微尺度计算轴向光刻 (micro-CAL)，通过断层照射然后烧结的光聚合物-二氧化硅纳米复合材料，制造了内径为 150 微米的三维微流体，表面粗糙度为 6 纳米的自由形式微光学元件，以及最小特征尺寸为 50 微米的复杂高强度桁架和晶格结构。
2022年4月16日，南极熊获悉，一项体积光固化3D打印玻璃微结构新研究登上了《科学》杂志封面，“Volumetric additive manufacturing of silica glass with microscale computed axial lithography”，加州大学伯克利分校研究人员的这种方法速度更快，可以生产出具有更高光学质量、设计灵活和强度更高物体。
△3D打印的玻璃结构，与美国便士大小对比示例。图片来自Joseph Toombs
研究人员与德国Albert Ludwig University of Freiburg大学的科学家开展合作，在他们三年前开发的3D打印工艺基础上实现了新的突破（计算轴向光刻CAL）。以实现更为精细的玻璃构造，他们将这个新系统称为“micro-CAL”。
△极为光滑的表面
他们认为，玻璃是制造复杂微观物体的首选材料，包括但不限于智能手机、内窥镜、微型高质量相机镜头，以及用于分析或处理微量液体的微流体设备等。但目前的制造方法可能会很慢、很昂贵，无法满足日益增长的工业化需求。
△加州大学可打印高光学质量玻璃微结构视频。视频来自Joseph Toombs
CAL工艺与现有的3D打印工艺有着根本性的不同，传统的方法使用薄层材料构建物体。这种技术可能会耗费大量时间并导致粗糙的表面纹理。然而，CAL可同时对整个对象进行3D 打印：
研究人员将激光投射到光敏材料中，形成一个三维光催化，然后固化成所需的形状。CAL工艺没有层纹，可实现光滑的表面和复杂的几何形状。
Joseph T. Toombs 等人，采用微尺度计算轴向光刻技术的石英玻璃体积增材制造，科学（2022 年）。 DOI：10.1126/science.abm6459，点我文献传送门
“当我们在2019年首次发布这种方法时，那时CAL可以将物体打印成尺寸小至约三分之一毫米的聚合物，”首席研究员兼机械工程教授Hayden Taylor说。“现在，通过micro-CAL，我们可以打印小到20 μm的聚合物，或人类头发宽度的四分之一。而且这种方法不仅可以打印聚合物，还可以制成玻璃，可精确到50 μm。
为了打印玻璃，Taylo和他的研究团队还开发了一种特殊的树脂材料，其中包含玻璃纳米颗粒，周围环绕着光敏粘合剂液体。然后，研究人员加热打印出来的物体，去除粘合剂，将颗粒融合在一起，形成一个纯玻璃的固体物体。
△Joseph Toombs在实验室里用一把镊子夹着一个3D打印玻璃微结构。图片来自Joseph Toombs
“其中的关键技术是粘合剂的折射率与玻璃的折射率几乎相同，因此光通过材料时几乎没有散射，”Taylor说。
研究小组，包括主要作者Joseph Toombs博士以及Taylor实验室的学生等，他们还发现CAL打印的玻璃物体比传统工艺更具有更一致的强度特征。“当玻璃物体含有更多的缺陷或裂缝，或者表面粗糙时，它们往往更容易破裂，”Taylor说。“因此，与其他基于层的3D打印工艺相比，能够制造出更具有光滑表面的物体，这是一个巨大的潜在优势。”
△3D打印的六边形微透镜电显照片。图片来自Joseph Toombs
CAL 3D 打印方法为微型玻璃物体制造商提供了一种新的、更有效的方法，可以满足客户对几何形状、尺寸以及光学和机械性能的苛刻要求。“能够更快地为客户提供更为复杂的新功能设备或成本更低的产品，”Taylor说。
science.abm6459_sm.pdf
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