麻省理工学院：实现低温3D打印玻璃，可获得独特的光学、电学和化学特性！

2022年6月，南极熊获悉，受到美国国防部资助的麻省理工学院林肯实验室的研究人员提出了一种新的低温方法来制造3D打印玻璃物体。


△麻省理工学院科学家的低温玻璃 3D 打印工作流程。图片来自麻省理工学院林肯实验室。

传统的玻璃3D打印需要将部件放置在1,000°C或更高的温度下进行打印和后处理。在此项研究中，研究人员打破了传统，他们开发了定制的高度填充的墨水，可在 250°C下固化。由于其材料成分的易获得且工艺十分简单性，该团队认为它可以“促进玻璃物体的大量生产”，并使之具有独特的特性。研究人员在文章中展示了一个模块化系统，可以调整它来打印各种带有嵌入纳米材料（电介质、金属和光学）的无机玻璃，以获得相应的功能。 研究人员认为此款多功能材料平台可以与多材料增材制造相结合，能够制造各种强大的微结构系统。

玻璃3D打印的散热问题
尽管玻璃3D打印仍处于相对早期的发展阶段，但该技术已开始显示出巨大的潜力，它可以实现比传统玻璃加工更复杂的几何形状。 例如，使用多材料技术，研究人员能够制造出具有更高机械强度和渐变折射率的光学透镜和微流体装置等部件。现在可以使用3D打印技术实现亚毫米级特征，还可以生产具有特定功能的玻璃。

3D打印玻璃的原理很简单那，但实际操作还需要克服很多的问题，当通过立体光刻、双光子光刻或直接墨水书写 (DIW) 打印玻璃时，无论是在沉积过程中还是在脱脂过程中，都需要高温条件，从而产生稳定的玻璃结构。但此过程中，也需要使用专门的耐火齿轮，并且它们可能与热敏材料不相容，从而限制了用户对原料的选择。 研究人员在文章中指出，与其他增材制造材料相比，玻璃在提高生物相容性和增强热稳定性方面更具有优势，但目前生产玻璃的常用方法仍需要高温条件。


△高度填充的纳米复合材料。图片来自麻省理工学院林肯实验室。

麻省理工学院的低温制造
研究人员此次的低温替代方案的核心是基于定制的纳米复合材料。该墨水由嵌入硅酸钠溶液中的功能性纳米颗粒以及导电的银颗粒组成，可在比正常温度低得多的温度下打印。研究团队通过DIW的3 轴Aerotech龙门打印系统对其进行制造。

△基于硅酸盐墨水的光学和化学定制玻璃

在打印了一些基本的形状和结构之后，科学家们发现将结构和墨水桶安装到机器的两个独立z轴上，可以创建电容器和电阻器。这些部件显示出高度的稳定性（尽管它们的光学透明度比烧结部件的光学透明度低）。 通过后续的成像分析，研究人员还发现他们能够使用原型电阻器实现不同的走线长度，并调整材料的介电常数水平以改变所生产电容器的容量，其中由钡、锶和钛氧化物制成的电容器具有最高的功率。

据该团队称，他们的实验表明，他们的工艺可以定制以生产电子材料和集成微系统。展望未来，科学家们计划继续研究以提高所生产零件的光学清晰度，作为进一步扩大他们的潜在应用。 研究人员相信，相信这种基于硅酸盐材料的打印方式能够促进微流控化学反应器的制造，此外还可以制造许多新颖的高功率射频设备。


△麻省理工学院林肯实验室。照片来自麻省理工学院。

玻璃3D打印
●作为玻璃3D打印的初创公司之一，Glassomer已经制备了3D打印二氧化硅纳米复合材料，2022年4月，该复合材料已在室温下被3D打印成玻璃部件，其厚度相当于人类头发的厚度。


△3D打印玻璃样品和成像结果


●2021年2月，弗莱堡大学的科学家此前曾与Nanoscribe合作，利用双光子聚合3D打印技术打印了二氧化硅玻璃的微结构。同样，通过使用 Glassomer 材料，合作团队发现他们能够制造出表面粗糙度仅为6纳米的复杂物体，远低于许多其他玻璃部件的表面粗糙度（40-200 纳米）。


△直立的微透镜


●3D打印玻璃领域的另一家领先研究公司是Formnext 2021创业挑战赛冠军Nobula，该公司的首席执行官兼联合创始人刘春新透露，它的目标是在2022将专用的玻璃3D打印机和配套原料推向市场。


△100% 填充的 3D 打印玻璃