光學元件的突破，美LLNL研發(fā)折射率可定義的梯度玻璃3D打印技術

關于玻璃的打印，之前麻省理工學院研究人員已經發(fā)明了使用玻璃作為打印材料的3D打印方法，該過程被稱為G3DP。G3DP被描述為使用光學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。不過麻省理工的3D打印并沒有實現玻璃材料微觀層面的控制，也就是梯度打印。

如今美國LLNL勞倫斯摩爾國家實驗室科學家研發(fā)出一種新的3D打印透明玻璃技術。無需曲面設計，就可以控制不同位置的光線折射率�？茖W家說這項研究可以改變激光和其他光學設備的制造方式。

盡管3D玻璃的打印還處于起步階段，但一致性的看法是這將改變光學的制造工藝。通過增材制造來創(chuàng)造這種透明的東西是有趣的。以色列的3D打印機Micron3DP就是這一行列的先行者之一，通過反復試驗，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，比如在科學實驗室中使用的那些玻璃器皿，公司能夠把該材料的熔化溫度提升至1640攝氏度。

然而，其它的研究者，并不認為FDM是最好的打印玻璃的方式，這些研究者還試圖在較低的溫度下3D打印制作玻璃制品。通常來說，FDM和立體3D打印技術不能夠完全熔化玻璃問題，導致多孔或非均勻結構。LLNL加利福尼亞的研究人員創(chuàng)造了一系列定制玻璃油墨，他們認為他們已經解決了那些導致多孔或非均勻結構的問題。這些由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質量的拋光，使零件更均勻更復合光學性能的要求。

“打印高質量的光學，不允許任何孔和線的存在，他們必須是透明的，”LLNL材料工程師Du Nguyen說。“大多數打印玻璃的其他技術是先熔化玻璃，然后冷卻下來，這有可能產生殘余應力并導致開裂。而我們是在室溫下打印，避免了這些問題�！�

LLNL打印出來的玻璃制品并不透明，但干燥和熱處理后變得透明。這項研究可以讓科學家們實現曲面的光學玻璃打印，其中包括在不同位置實現不同的折射率。通常拋光復雜或非球面鏡片是相當勞動密集的工作，而且需要大量的技能，但拋光平坦的表面要容易得多，通過控制打印部件的折射率，你可以改變光的折射路徑，這樣可以使鏡片進行平的拋光。

具體來說，3D打印可以用來創(chuàng)建成分梯度，這些3D打印的光學組件可以用來降低光學系統的尺寸、重量或成本�！肮鈱W加工的研究和發(fā)展是走向自由曲面光學元件、光學、可以做幾乎任何復雜形狀的，”光學和材料科學與技術實驗室的項目主任Tayyab Suratwala說。研究人員計劃通過改變玻璃的成分來嘗試3D打印高質量的光學和漸變折射率透鏡。一個關鍵的挑戰(zhàn)將是創(chuàng)建梯度折射率的光學原件，這需要更高的對材料的理解和對打印工藝的控制水平。

LLNL科學家還將嘗試打印幾何形狀復雜的玻璃微流控器件。這項研究與明尼蘇達大學和美國俄克拉荷馬州立大學的科學家合作。根據市場研究，市場上或有一家技術與LLNL類似，德國Fraunhofer陶瓷技術和IKTS 系統研究所研發(fā)的3D打印新技術，不僅可以打印骨科植入物、假牙、手術工具等醫(yī)療產品，還可以打印微反應器這樣非常復雜、微小部件。

Fraunhofer研究所研發(fā)的這項3D打印技術可打印的材料是陶瓷或金屬粉末懸浮液。陶瓷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。

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。

來源：3D科學谷