玻璃是地球上最古老的材料之一，早在十萬多年前就被人類利用。人們用它來制造工具和武器，隨著時(shí)間的推移，它的應(yīng)用也日益廣泛。如今，玻璃無處不在，形態(tài)各異，種類繁多，性能和特點(diǎn)也各不相同。既然玻璃在我們的生活中如此普遍，那么增材制造又如何呢？我們能打印玻璃嗎？答案是肯定的，但它是一種非常復(fù)雜的材料。事實(shí)上，使用玻璃需要非常高的熔化溫度（約1000°C）以及極其精確可控的熱環(huán)境。盡管存在這些限制，一些廠商還是開發(fā)出了能夠生產(chǎn)各種零件的3D玻璃打印機(jī)。雖然其中一些打印機(jī)現(xiàn)已商業(yè)化，但大多數(shù)仍處于研究階段。我們將為您詳細(xì)介紹！

可用的3D玻璃打印解決方案

Maple 4 Glass 3D打印機(jī)

Maple 4是一款由Maple Glass Printing開發(fā)的桌面玻璃3D打印機(jī)，兼具簡潔易用性和先進(jìn)性能。與需要極高溫度和專用設(shè)備的傳統(tǒng)玻璃制造不同，該系統(tǒng)使整個(gè)過程更加便捷高效。它體積小巧（736 x 600 x 985毫米），重約100公斤，使用標(biāo)準(zhǔn)220-240 V電源供電，噴嘴溫度接近1000°C。其構(gòu)建體積為200×200×300毫米，可處理高速打印。它還能在不到一小時(shí)的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出精細(xì)的玻璃部件。其功能包括一鍵打印和自動磁力調(diào)平床，使其易于使用并確保始終如一的打印效果。

Maple 4 Glass 3D打印機(jī)（圖片來源：Maple Glass Printing）

Nobula玻璃3D打印機(jī)

Nobula3D的Nobula機(jī)器基于直接玻璃激光沉積(DGLD)技術(shù)，該公司聲稱該技術(shù)“使打印玻璃變得像打印塑料一樣簡單”。該打印機(jī)采用非接觸式激光加熱，最高溫度可達(dá)2,200°C。它精度高、節(jié)能高效，無需后處理。該設(shè)備尺寸約為100×40×60厘米，重量略高于50公斤。該系統(tǒng)的分辨率為100至250微米，支持0至100%的填充率。打印速度為每分鐘5至200毫米，用戶可以打印出具有精細(xì)細(xì)節(jié)和卓越性能的獨(dú)立結(jié)構(gòu)。該設(shè)備針對石英玻璃進(jìn)行了優(yōu)化，并與Nobula軟件和商用切片機(jī)兼容。這款玻璃3D打印機(jī)為在研究、設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造應(yīng)用中打印復(fù)雜、高質(zhì)量的玻璃組件鋪平了道路。

使用Nobula玻璃3D打印機(jī)和該公司獨(dú)特的、正在申請專利的玻璃長絲打印的花瓶和空心結(jié)構(gòu)。 

麻省理工學(xué)院的3D打印機(jī)

美國麻省理工學(xué)院無疑是最早研究開發(fā)3D玻璃打印機(jī)的機(jī)構(gòu)之一。初步測試始于2015年：由內(nèi)里·奧克斯曼領(lǐng)導(dǎo)的研究小組展示了一種能夠逐層擠出熔融玻璃的工藝。幾年后，他們的機(jī)器的首個(gè)版本演變成了G3DP2。該打印解決方案能夠連續(xù)沉積30公斤熔融玻璃，并配備熱控制系統(tǒng)，以確保玻璃的成型和質(zhì)量。因此，無論何種應(yīng)用，該機(jī)器都可以設(shè)計(jì)透明玻璃部件。目前，G3DP2尚未上市，但Evenline工作室每天都在使用這款解決方案——您也可以直接從他們的網(wǎng)站訂購玻璃部件。

G3DP的第一個(gè)版本（圖片來源：MIT/Oxman）

Glassomer的3D玻璃打印

Glassomer是一家專注于玻璃增材制造的德國公司。目前該公司本身并未銷售任何機(jī)器，但提供3D打印玻璃部件（更確切地說是原型）的專業(yè)技術(shù)，無論其形狀如何。例如，它可以打印未來瓶子的不同設(shè)計(jì)，甚至是裝飾品或珠寶。Glassomer之所以能夠提供此類服務(wù)，是因?yàn)樗_發(fā)了一種原材料的制造工藝。這是一種復(fù)合材料——用于3D打印的液體，用于注射的固體——基于石英玻璃粉和有機(jī)粘合劑。這種材料將用于增材制造，并可用于制造透明玻璃部件。

3D打印瓶子示例（圖片來源：Glassomer）

二、研究項(xiàng)目

低溫增材制造玻璃

值得一提的是麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室關(guān)于玻璃低溫增材制造的研究。他們的方法頗具創(chuàng)新性，因?yàn)椴ＡЪ庸み^程通常需要在極高的溫度下進(jìn)行，但此前從未應(yīng)用過類似的技術(shù)。那么他們是如何成功的呢？該過程在室溫下開始，直接用墨水書寫，逐層成型。然后，在僅加熱至250°C的礦物油浴中進(jìn)行固化，而傳統(tǒng)工藝則需要超過1000°C的溫度。熱處理完成后，用無機(jī)溶劑沖洗工件以去除礦物殘留物，僅此而已。與該工藝兼容的材料是林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種多材料墨水，由硅酸鹽溶液和其他無機(jī)納米顆粒組成。這項(xiàng)研究仍在進(jìn)行中，但結(jié)果表明，該技術(shù)可以促進(jìn)玻璃器件（例如微流體系統(tǒng)、光學(xué)透鏡和高溫電子元件）的3D打印。

采用低溫工藝打印的玻璃（圖片來源：林肯實(shí)驗(yàn)室）

用于微結(jié)構(gòu)的玻璃3D打印

加州大學(xué)伯克利分校的研究人員與德國弗萊堡大學(xué)合作，開發(fā)出一種3D打印玻璃微結(jié)構(gòu)的技術(shù)。該技術(shù)基于幾年前開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助軸向光刻(CAL)工藝，只不過他們現(xiàn)在能夠使用玻璃以更精確的方式在微觀尺度上進(jìn)行打印。這種新工藝被稱為微CAL。它不是逐層打印，而是同時(shí)打印整個(gè)物體。他們使用激光將光圖案投射到一種特殊的樹脂材料上，這種材料含有被感光粘合劑包圍的玻璃納米顆粒。光使粘合劑固化，然后加熱物體以去除多余的粘合劑并將顆粒融合在一起，從而獲得由純玻璃制成的固體物體。為什么要打印玻璃微結(jié)構(gòu)？研究人員設(shè)想了幾種應(yīng)用：微型光學(xué)元件、虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡、高級顯微鏡和其他科學(xué)儀器。

蚊子旁邊的3D打印微管模型（圖片來源：Adam Lau/Berkley Engineering）

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院使用SLA技術(shù)3D打印玻璃

2019年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員證明了復(fù)雜的玻璃物體可以通過3D打印制成，并在申請專利之前就已成功實(shí)現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)利用立體光刻技術(shù)，以及一種將塑料和有機(jī)分子與玻璃前體結(jié)合的樹脂，成功制造出復(fù)雜且高度多孔的玻璃結(jié)構(gòu)。具體來說，他們使用了DLP技術(shù)，發(fā)現(xiàn)可以通過改變光強(qiáng)度來調(diào)整物體的孔徑。樹脂固化后，打印部件分兩個(gè)階段進(jìn)行燒制：首先在600°C下燒盡聚合物結(jié)構(gòu)，然后在約1000°C下使玻璃陶瓷致密化。雖然這一過程會導(dǎo)致物體大幅收縮，但最終產(chǎn)品透明堅(jiān)硬，類似于窗戶玻璃。

毛坯（左）在600度高溫下燒制，去除塑料結(jié)構(gòu)。再次燒制后，該物體變成玻璃（右）（圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院復(fù)合材料研究組）

圣母大學(xué)通過沉積技術(shù)3D打印玻璃

圣母大學(xué)的研究人員開發(fā)了另一種創(chuàng)新的3D打印玻璃方法。他們使用二氧化碳激光加熱玻璃棒表面，然后玻璃棒熔化到安裝在四軸數(shù)控平臺上的熔融石英基板上。基板相互作用、燈絲未加熱部分的壓力、重力和表面張力的結(jié)合，使玻璃能夠以可控的方式成型。利用這項(xiàng)技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)建二維圖案和獨(dú)立的三維螺旋結(jié)構(gòu)。

圣母大學(xué)研究負(fù)責(zé)人埃德·金澤爾與墨西哥蒙特雷理工學(xué)院的同事合作，推動了這項(xiàng)工作的進(jìn)展。他們攜手合作，從制造空心形狀轉(zhuǎn)向制造致密、完全透明的3D實(shí)體。雖然精度仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，但研究人員樂觀地認(rèn)為，隨著進(jìn)一步的改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)更高的性能。

圣母大學(xué)開發(fā)的3D打印方法（圖片來源：圣母大學(xué)工程學(xué)院Wes Evard）

編譯整理：3dnatives