3D材料：玻璃變形記
魔猴君 行業(yè)資訊 2600天前
3D打印玻璃與其他制造方法相比具有幾個明顯的優(yōu)點，一是3D打印能夠生產(chǎn)其他制造方法無法處理的復(fù)雜形狀，另一個是對制造商而言，3D打印可以創(chuàng)建包括具有嵌入式微流體通道的玻璃制品這樣功能性的產(chǎn)品，從而用于相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
3D打印玻璃的發(fā)展可以回溯到2009年左右，隨后在世界各地不斷涌現(xiàn)出不同的3D打印玻璃的工藝。
以色列Micron3DP的玻璃3D打印技術(shù)屬于熔融擠出3D打印技術(shù)。通過反復(fù)試驗，Micron3DP終于在把材料溫度提升至850攝氏度之后成功地進行了玻璃的3D打印。而為了3D打印硼硅玻璃，這種玻璃通常會被用于制造更加耐用的器皿，比如在科學(xué)實驗室中使用的那些玻璃器皿，Micron3DP能夠把該材料的熔化溫度提升至1640攝氏度。并能夠打印兩種類型的玻璃材料：鈉鈣和硼硅酸鹽。Micron3DP希望在未來開發(fā)更多的玻璃材料。這種熔融擠出的玻璃3D打印速度快，能夠生產(chǎn)出非常高分辨率的產(chǎn)品。
Micron3DP的玻璃3D打印
在Micron3DP宣布推出其玻璃3D打印技術(shù)之后不久，麻省理工學(xué)院緊隨其后，開發(fā)了一臺玻璃3D打印機-G3DP，G3DP被描述為使用光學(xué)透明玻璃用于高度精確3D打印的方法。該過程是可控制，并且可以提供透明度和顏色等打印選項，打印對象的厚度也可以控制。另外還可以控制打印物體的透射，反射和折射等參數(shù)。打印機包括一個窯，將玻璃放置在其中并加熱到1900°F的溫度。熔化的玻璃然后通過噴嘴，將其擠出以冷卻和硬化。
隨后，麻省理工學(xué)院推出了G3DP2，這臺3D打印機用于更大尺寸的玻璃物品的打印。這個新的制造平臺包括一個數(shù)字集成的熱控制系統(tǒng)，這個熱控制系統(tǒng)可以伴隨玻璃成型的各個階段，以及一個新型的四軸運動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對流量的控制，并且控制空間方面的尺寸精度。G3DP2具有更高的生產(chǎn)率，可以連續(xù)沉積高達30kg的熔融玻璃。
不是所有的玻璃3D打印機都采取熔融擠出的方式。今年早些時候，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT)的研究人員通過光固化技術(shù)實現(xiàn)了3D打印玻璃，這種3D打印技術(shù)可以創(chuàng)建微小而復(fù)雜的玻璃對象，實現(xiàn)精細分辨率和復(fù)雜形狀。
KIT 3D打印的玻璃
根據(jù)KIT研究人員，他們的玻璃3D打印工藝比傳統(tǒng)的玻璃生產(chǎn)方法更快，且不需要化學(xué)蝕刻，3D打印材料是一種混合溶液，玻璃粉末懸浮在液態(tài)光敏樹脂中。打印完成后將產(chǎn)品放在高溫烘箱中加熱，玻璃制品中的塑料成分被燒掉，留下純玻璃。
2016年，德國Fraunhofer陶瓷技術(shù)和IKTS系統(tǒng)研究所研發(fā)了一項3D打印新技術(shù)，可以打印微反應(yīng)器這樣非常復(fù)雜、微小部件。金屬、玻璃或陶瓷粉末材料被均勻的混合在粘合劑中。粘度也是精確控制，混入的粉末材料既不能太“稀”也不能太“稠”，這樣打印機才能進行流暢的打印。
Fraunhofer研究所研發(fā)的這項3D打印技術(shù)可打印的材料是陶瓷、玻璃或金屬粉末懸浮液。陶瓷、玻璃或金屬粉末被混合在一種低熔點的熱塑性粘合劑中，熱塑性粘合劑在80攝氏度時就會融化成為液體。在打印過程中，打印機的電性溫度熔化了粘合劑，并混合著陶瓷、玻璃或金屬粉末材料以液滴的形式被沉積下來。沉積后液滴迅速冷卻變硬，三維對象就這樣被點對點逐漸打印出來。
2017年，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）位于加利福尼亞的研究人員創(chuàng)造了一系列定制玻璃油墨，他們認為他們已經(jīng)解決了那些導(dǎo)致多孔或非均勻結(jié)構(gòu)的問題。
LLNL采用的玻璃顆粒的濃縮懸浮液油墨具有高度控制的流動性能，并因此可以在室溫下滿足打印需求。LLNL的研究人員介紹說這些特殊油墨可以進行熱處理，增強密度并消除打印過程中的其他問題。熱處理完成后，研究人員還可以進行光學(xué)質(zhì)量的拋光，使零件更均勻更復(fù)合光學(xué)性能的要求。LLNL的3D打印技術(shù)可以用來創(chuàng)建成分梯度，這些3D打印的光學(xué)組件可以用來降低光學(xué)系統(tǒng)的尺寸、重量或成本。
LLNL的方法可以用于制造諸如激光器之類的光學(xué)應(yīng)用玻璃，3D打印使得這種玻璃的制造更容易、更便宜。
玻璃3D打印在短時間內(nèi)已經(jīng)走了很長的一段路–只是在幾年前，玻璃3D打印根本就不存在?，F(xiàn)在，3D打印玻璃正在應(yīng)用到從藝術(shù)到建筑，再到光學(xué)和微流控等領(lǐng)域。 雖然3D打印玻璃不太可能取代玻璃制造傳統(tǒng)方法，但這種工藝卻有力地補充了傳統(tǒng)制造工藝所不能實現(xiàn)的領(lǐng)域。
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