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科學家將玻璃3D打印成具有“頭發厚度”的零件

魔猴君行業資訊 908天前

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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打印出結構在 50 微米范圍內的玻璃，這大致相當于一根頭發的厚度，”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新功能和更具成本效益的產品。”

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

據科學家稱，玻璃具有“無數用途”，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。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 在微尺度上生產玻璃結構的潛力，研究人員建立了自己的 Micro-CAL 系統。配備激光光源和低數值孔徑光纖的原型已被證明能夠在多次測試中縮小數字微鏡設備發出的光圖案。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，該樹脂用于適當地支持構建，然后將其移除并重新用于創建更多物體。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，產生完全致密的玻璃部件。

這一過程是由弗萊堡大學開發的聚合物基二氧化硅玻璃的修訂版及其衍生的 Glassomer 實現的，經過調整，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 秒的時間內生產出微結構，塑料和玻璃的尺寸分別小至 20 μm 和 50 μm。與傳統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現限制了微裂紋和壓痕的形成。考慮到這些好處，該項目背后的團隊相信 Micro-CAL 很快就會被用作生產各種微型光學部件的手段，從用于 VR 頭顯的部件到現代顯微鏡。鑒于大多數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有的玻璃 3D 打印方法，但其中一些方法現在開始顯示出商業潛力。例如，Formnext 2021 創業挑戰賽冠軍 Nobula 去年告訴 3D 打印行業，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處方智能眼鏡的明確道路”。