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科學家將玻璃3D打印成具有“頭發(fā)厚度”的零件

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弗萊堡大學的研究人員與加州大學伯克利分校的同事合作，提出了一種在微觀尺度上快速 3D 打印復雜玻璃部件的新方法。這種方法被稱為“微尺度計算軸向光刻”（Micro-CAL），涉及將樹脂從多個角度暴露于所需形狀的 2D 光圖像，當它們重疊時，會觸發(fā)聚合。當用于打印之前在弗萊堡磨練的 Glassomer 材料時，該團隊表示，他們的無層工藝有可能解鎖具有新的微流體或微光學功能的設備。

“我們第一次能夠在幾分鐘內(nèi)打印出結構在 50 微米范圍內(nèi)的玻璃，這大致相當于一根頭發(fā)的厚度，”弗萊堡大學的 Frederik Kotz-Helmer 博士解釋說。以高速和極大的幾何自由度制造此類組件的能力將在未來實現(xiàn)新功能和更具成本效益的產(chǎn)品?！?/span>

研究人員的“Micro-CAL”3D 打印過程。圖片來自弗萊堡大學。

“CAL”與串行沉積 3D 打印

據(jù)科學家稱，玻璃具有“無數(shù)用途”，這要歸功于其高水平的光學透明度、耐熱性和耐化學性以及低熱膨脹系數(shù)。鑒于這些特性，這種材料有時也用于 3D 打印也就不足為奇了，然而，研究人員表示，逐層沉積會“引發(fā)缺陷”并“限制幾何自由度”。盡管許多 3D 打印工藝依賴于串行沉積，但確實存在的一種替代方法是計算軸向光刻 (CAL)。 CAL 不是在層中構建物體，而是通過將光敏樹脂暴露于迭代優(yōu)化的投影中，將它們聚合成 3D 結構，這反過來又使它們達到一個閾值，在該閾值上，它們的整個體積在前體材料中同時硬化。

由于該前體與被打印物體之間沒有相對運動，因此可以利用高粘度納米復合材料作為該過程的一部分。 CAL 相對于逐層技術的另一個好處是不需要支撐來將構建固定到位，因此該過程可能更適合創(chuàng)建復雜的微結構。

該團隊的一些 3D 打印玻璃樣品和成像結果。圖片來自弗萊堡大學。

“Micro-CAL”打印“Glassomer”對象

為了評估 CAL 在微尺度上生產(chǎn)玻璃結構的潛力，研究人員建立了自己的 Micro-CAL 系統(tǒng)。配備激光光源和低數(shù)值孔徑光纖的原型已被證明能夠在多次測試中縮小數(shù)字微鏡設備發(fā)出的光圖案。在這些實驗中，科學家們在納米復合樹脂中聚合了一種載有納米顆粒的材料，該樹脂用于適當?shù)刂С謽嫿?，然后將其移除并重新用于?chuàng)建更多物體。準備就緒后，將得到的綠色部件進行脫脂和燒結，在這個過程中，它們的納米顆粒結合在一起，產(chǎn)生完全致密的玻璃部件。

這一過程是由弗萊堡大學開發(fā)的聚合物基二氧化硅玻璃的修訂版及其衍生的 Glassomer 實現(xiàn)的，經(jīng)過調(diào)整，既高度透明，又在預定閾值下快速硬化。在實踐中，Micro-CAL 3D 打印材料使團隊能夠在 30-90 秒的時間內(nèi)生產(chǎn)出微結構，塑料和玻璃的尺寸分別小至 20 μm 和 50 μm。與傳統(tǒng)制造的石英玻璃相比，研究人員的原型還具有 187.7 MPa 的更高的斷裂拉伸應力，因為他們的工藝被發(fā)現(xiàn)限制了微裂紋和壓痕的形成?？紤]到這些好處，該項目背后的團隊相信 Micro-CAL 很快就會被用作生產(chǎn)各種微型光學部件的手段，從用于 VR 頭顯的部件到現(xiàn)代顯微鏡。鑒于大多數(shù)芯片實驗室設備也依賴于復雜微流體通道的精確集成，科學家們相信他們的方法也可以用于臨床診斷工具。

一組 Micro-CAL 3D 打印玻璃原型。圖片來自弗萊堡大學。

玻璃3D打印的新興領域

盡管弗萊堡領導的研究團隊批評了許多現(xiàn)有的玻璃 3D 打印方法，但其中一些方法現(xiàn)在開始顯示出商業(yè)潛力。例如，Formnext 2021 創(chuàng)業(yè)挑戰(zhàn)賽冠軍 Nobula 去年告訴 3D 打印行業(yè)，它的目標是在 2022 年將專用玻璃 3D 打印機和原料推向市場。

在類似的商業(yè)說明中，Optiswiss 于 2021 年 11 月安裝了 Luxexcel 的 VisionPlatform 7 平臺，目的是為眼鏡客戶使用它來 3D 打印鏡片。交易簽署后，Optiswiss 首席執(zhí)行官塞繆爾·弗雷 (Samuel Frei) 聲稱，這為他的公司“提供了一條通往大批量生產(chǎn)處方智能眼鏡的明確道路”。