新型激光增材制造工藝登上《科學》!可幾秒鐘內3D打印出光滑玻璃

    【集萃網觀察】

玻璃用途廣泛、無處不在，并越來越多地應用于光纖、消費電子和微流體等“芯片上的實驗室”(lab-on-a-chip)設備。然而，傳統的玻璃制造技術成本高、速度慢，3D打印玻璃還往往會產生粗糙的紋理，意味著不少這類器件難以成為光滑的光學鏡片。

近日，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)和加州大學伯克利分校(UC Berkeley)的研究人員使用一種新的基于激光的體積增材制造(VAM)方法，展示了在硅玻璃中3D打印微觀物體的能力，它可以在幾秒或幾分鐘內建成無層、精細的光學玻璃。該研究成果發表在最新一期的《科學》(Science)雜志上。

由LLNL和加州大學伯克利分校開發的“計算軸向光刻”(CAL)技術受到了計算機斷層掃描(CT)成像方法的啟發，以《星際迷航》中可以瞬間制造幾乎任何物體的虛構設備命名，被稱為“復制器”(the Replicator)�！坝嬎爿S向光刻”(CAL)技術的工作原理是通過目標物體的數字模型從多個角度計算投影，通過計算優化這些投影，然后使用數字光投影儀將它們傳送到光敏樹脂的旋轉體中。隨著時間的推移，投射的光模式在材料中重建或構建出3D光劑量分布，在樹脂旋轉時，在超過光閾值的點固化物體。完全成形的對象在短短幾秒鐘內就會成形——遠比傳統的逐層3D打印技術快得多。

加州大學伯克利分校的研究人員將一種名為micro-CAL的新型微尺度VAM技術(使用激光代替LED光源)與一種由德國公司Glassomer和弗萊堡大學開發的納米復合玻璃樹脂結合在一起，并打造出了這種堅固的、復雜的微結構玻璃物體，其表面粗糙度只有6納米，精度可達50微米。

該項目首席研究員、加州大學伯克利分校機械工程副教授海登·泰勒(Hayden Taylor)表示，micro-CAL工藝產生的光劑量更高，固化3D物體的速度更快、分辨率更高，與LLNL納米復合樹脂相結合簡直是“天作之合”，在打印成品的強度上表現出了驚人的效果。

Hayden Taylor指出:“當玻璃制品含有更多的缺陷或裂縫或表面粗糙時，它們往往更容易破碎。因此，與其他3D打印工藝相比，利用CAL制造更光滑表面物體的能力是一個巨大的潛在優勢�！�

該團隊比較了micro-CAL制造的玻璃的斷裂強度，以及用更傳統的基于層的打印工藝制造的相同大小的物體，發現CAL打印結構的斷裂載荷更緊密地聚集在一起，這意味著CAL打印組件的斷裂載荷比傳統技術更。

LLNL的合著者Caitlyn Krikorian Cook是實驗室材料工程部門的小組領導和聚合物工程師，他描述了納米復合樹脂在光照下的固化動力學。Cook表示，在LLNL目前傳統的立體光刻系統中，打印高粘度樹脂即使不是個死胡同，也會是一項挑戰。他補充稱，VAM用于微光學的好處是，它可以產生非常光滑的表面，而不會產生分層偽影，從而在無需額外后處理時間的情況下加快打印速度。

“你可以想象嘗試使用標準制造技術來創建這些小型微光學和復雜的微結構，這真的不可能�！睅炜�(Cook)表示，“但現在由于采用新工藝進行直接打印，而無需拋光技術，節省了大量的時間。如果你能在光學成型后消除拋光步驟，你就能打印出可以使用的零件�！�

Cook使用光譜儀進行了原位樹脂表征，以測量材料光聚合動力學中抑制劑修飾劑的閾值響應。這種修飾劑與激光VAM方法的精確性相結合，是在微尺度上打印高分辨率光學圖像的“秘訣”。

在過去的幾年里，LLNL和UC Berkeley的VAM合作項目已經試驗了用不同的樹脂和材料來創造復雜的物體。最新的進展源于與加州大學伯克利分校的一項研究，該研究發現了新的多用途材料類別，可以擴大VAM方法可實現的化學性質和材料性能的范圍。

Cook和加州大學伯克利分校的研究人員表示，VAMA打印玻璃可以沖擊具有微觀特征的固體玻璃設備，生產具有更多幾何自由度、更高速度的光學元件，并可能帶來新功能或更低成本的產品。

未來，這一工藝的應用可能包括高質量相機、消費電子產品、生物醫學成像、化學傳感器、虛擬現實耳機、高級顯微鏡和具有挑戰性的3D幾何形狀的微流體，如“芯片上的實驗室”應用。此外，玻璃的良性特性有利于生物材料，或在高溫或耐化學物質的情況下。

UC Berkeley/LLNL的團隊也在研究生物打印的應用，比如結合使用VAM和投影微立體平版技術制造器官或“肺型”(lung-type)結構。

未來，Cook和她在LLNL的團隊將進一步調整VAM的分辨率和和打印速度。Cook繼續支持相關功能和材料的發展，而她的小組成員Dominique Porcincula和Rebecca Walton目前也正開展一個VAM可行性研究，計劃將VAM玻璃3D打印用于更大的光學鏡片與器件制造。

來源：OFweek激光網