法國科研人員3D打印出高致密、高透明磷酸鹽光學(xué)玻璃

3D打印玻璃一直是一個前沿的課題，我們很少看到研究機構(gòu)在這方面取得突破性進展的報道，一方面是玻璃的熔點很高，另外想要打印出致密的結(jié)構(gòu)非常困難。

2020年7月21日，南極熊從外媒獲悉，來自ICMCB-CNRS實驗室和波爾多大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種通過FDM技術(shù)3D打印磷酸鹽玻璃的方法。據(jù)悉，3D打印出的磷酸鹽玻璃保留了玻璃的物理特性，體積孔隙率僅為0.02%。該項研究已經(jīng)發(fā)表咋《Materials & Design》雜志上。

那么他們是如何實現(xiàn)3D打印玻璃的呢？

研究人員首先從母體玻璃預(yù)制件中使用纖維拉絲塔拉出玻璃絲，然后通過FDM 3D打印機制造出高致密和透明的摻銪磷酸鹽玻璃結(jié)構(gòu)。該團隊認為，其直接制造透明玻璃的方法不但可以為開發(fā)尖端的光學(xué)元件開辟新的視野，而且還可以促進新的生物醫(yī)學(xué)解決方案。

△3D打印磷酸鹽玻璃的整個工藝流程

磷酸鹽玻璃

磷酸鹽玻璃是光學(xué)玻璃的一種，這是一種具有折射特性的材料，使其成為光學(xué)系統(tǒng)中透鏡、光纖和其他組件的完美材料。由于不透明度變化和某些結(jié)晶現(xiàn)象，這種材料的3D打印多年來一直沒有被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)。

根據(jù)研究人員的說法，過去任何半成功的嘗試都因其不幸缺乏分辨率或密度而受阻。如果能夠增材制造出高密度、亞毫米分辨率的玻璃物體，就可以制造出一整套低成本的幾何復(fù)雜的光子器件--這也是波爾多研究的最終目標(biāo)。

擠出玻璃絲

研究的第一階段是開發(fā)基礎(chǔ)磷酸鹽玻璃絲。該材料是在800℃的鉑金坩堝中特別配制的，然后被拉成1.9毫米粗的棒狀。由于熔化和擠出磷酸鹽玻璃所需的溫度非常高，該團隊不得不在入門級的Prusa i3 機上配備一個定制的熱端和打印床。通過重重修改，打印機最終擁有了470°C的噴嘴和320°C的熱床溫度，以使實驗順利進行。

△3D打印過程，圖片來自波爾多大學(xué)

a.熔融沉積FDM 3D打印磷酸鹽玻璃.b.使用直徑0.4mm的鍍鎳銅噴嘴打印高密玻璃零件.c.磷酸鹽玻璃3D打印CNRS標(biāo)志

通過在研究中對一些打印參數(shù)的調(diào)查，該團隊成功地實現(xiàn)了99.98%的令人難以置信的高密度，并避免了零件內(nèi)不必要的光散射。利用SEM圖像和X射線斷層掃描技術(shù)進行了全面系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)表征，研究團隊還發(fā)現(xiàn)了線間結(jié)合質(zhì)量與透光率之間的相關(guān)性。

△打印的結(jié)構(gòu)顯示出非常低的孔隙率，約為0.02%，圖片來自波爾多大學(xué)

研究中最顯著的結(jié)果是，打印玻璃結(jié)構(gòu)保持了它們的光學(xué)發(fā)光特性，這意味著它們在整個過程中顯示出均勻的光傳輸。這一特性在任何高科技的光學(xué)系統(tǒng)中都是絕對關(guān)鍵的，因此這項工作在制造高性價比的終端組件方面顯示出巨大的潛力。

△絲材和打印件在整個過程中表現(xiàn)出均勻的光分布，圖片來自波爾多大學(xué)

關(guān)于這項研究的進一步細節(jié)，可以在題為‘Direct 3D-printing of phosphate glass by fused deposition modeling’的論文中找到。該論文由Reda Mohammed Zaki、Clément Strutynski、Simon Kaser等人共同撰寫。

其他3D打印玻璃的進展

波爾多的科學(xué)家們并不是第一個嘗試3D打印玻璃的人。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員此前曾利用一種專門的樹脂和DLP 3D打印技術(shù)3D打印玻璃物體。該方法利用混合樹脂內(nèi)的光聚合誘導(dǎo)相分離，從塑料和有機混合物中創(chuàng)造出復(fù)雜的玻璃部件。

在加拿大的拉瓦爾大學(xué)，研究人員開發(fā)了一種適合激光和紅外光學(xué)應(yīng)用的3D打印玻璃。該材料的熔化溫度相對較低，約為330°C，這意味著它可以通過改裝后的入門級桌面3D打印機進行擠出。

橫濱國立大學(xué)采用立體光刻技術(shù)通過CAD文件從懸浮在液體中的粉末中中打印出物體。將激光照射到液體和粉末懸浮液（稱為膠體）中，可以從這種液體中逐層構(gòu)建物體。粒子間光可交聯(lián)懸浮液通過快速加熱剖面實現(xiàn)透明二氧化硅玻璃組件的3D結(jié)構(gòu)化。

麻省理工大學(xué)3D打印玻璃的視頻演示

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的3D打印玻璃視頻演示

編譯自：3dprintingindustry