苏黎世联邦理工学院通过3D打印来生产复杂的玻璃物体

来源：江苏激光联盟

导读：苏黎世联邦理工学院的研究人员现在已使用一种新技术通过3D打印来生产复杂的玻璃物体。该方法基于立体光刻技术，是1980年代开发的首批3D打印技术之一。由苏黎世联邦理工学院AndréStudart带领的复杂材料小组的David Moore，Lorenzo Barbera和Kunal Masania开发了一种特殊的树脂，该树脂包含塑料以及与玻璃前体结合的有机分子。研究人员在《Natural Materials》上报告了他们的研究结果。

玻璃制造的历史可以追溯到埃及，从那以后，就一直吸引着艺术家，科学家和技术专家。从古代吹塑的发明到十九世纪被广泛使用的纺丝和手动轧制技术，玻璃制造一直是一种高度经验和费力的艺术。第一次工业革命带来的自动化导致了吹塑和铸造工艺的机械化，为生产率和质量设定了新的标准。在工业化阶段的工艺创新在玻璃技术中起着举足轻重的作用，例如用于大型平板窗制造的Pilkington工艺和用于电子显示器的高强度玻璃的开发就是例证。尽管自动化和工艺创新提高了玻璃产品的可再现性、性能和质量，但通过这些方法获得的对称且主要是平面的几何形状与手工艺术玻璃作品产生的复杂形状相比仍然非常有限。

三维（3D）打印技术的出现为在完全数字化制造过程中制造复杂形状的物体开辟了新的可能性。就眼镜而言，3D打印有可能将现代工业过程提供的自动化与比手工艺术劳动更高的几何复杂性相协调。使用3D打印生产玻璃物体并不容易。世界各地只有少数研究人员尝试使用增材法生产玻璃。有些是通过印刷熔融玻璃制成物体的，但缺点是这需要极高的温度和耐热设备。其他人使用的是粉末状陶瓷颗粒，可以在室温下印刷，然后再烧结制成玻璃。但是，以这种方式产生的物体不是很复杂。

用于“生长”物体的光
研究者发表了一种简单的3D打印过程，该过程依赖于液态树脂的相分离，以使用台式数字光处理（DLP）打印机创建具有高分辨率和多氧化物化学成分的复杂形状的玻璃。树脂主要包括醇盐无机前体，光活性单体混合物和吸光染料（见下图）。该树脂可以使用商业上可获得的数字光处理技术进行处理。这包括用紫外线照射树脂光线模式。光照射到树脂的任何地方，它都会变硬，因为聚合物树脂的光敏成分在暴露的地方发生交联。塑料单体结合形成迷宫状结构，形成聚合物。含陶瓷的分子填满了这个迷宫的空隙。


图1. DLP 3D打印相分离树脂

因此，一个物体可以一层一层地建造起来。研究人员可以改变每一层的各种参数，包括气孔尺寸:弱光导致毛孔粗大；强烈的光照会产生小孔。马萨尼亚表示他们偶然发现了这一点，但是可以用它来直接影响打印物的孔径。

用3D打印机创建的各种玻璃物品。图片来源：苏黎世联邦理工学院

研究人员还能够通过将二氧化硅与硼酸盐或磷酸盐混合并将其添加到树脂中来逐层修改微观结构。复杂的物体可以由不同类型的玻璃制成，甚至可以使用该技术组合到同一对物体中。

然后，研究人员在两种不同的温度下烧制以这种方式制成的坯体:在600℃烧去聚合物骨架，然后在1000℃左右将陶瓷结构致密化成玻璃。在烧制过程中，物体会明显收缩，但会变得像窗玻璃一样透明和坚硬。

毛坯（左）以600度烧制以消除塑料框架。在第二个烧制步骤中，物体变成玻璃（右）。图片来源：苏黎世联邦理工学院

Masania表示这些3D打印的玻璃物体仍然不超过模具。目前还不能以这种方式生产大玻璃物体，例如瓶子，水杯或窗玻璃，这实际上并不是该项目的目标。目的是证明生产的可行性玻璃物体复杂几何图形的三维打印。然而，新技术不仅仅是一个噱头。研究人员申请了一项专利，目前正在与一家主要的瑞士玻璃器皿经销商进行谈判，该经销商希望在他的公司中使用这项技术。