玻璃是人類(lèi)最古老的材料之一。它的使用歷史可追溯到古埃及和古羅馬時(shí)期，現(xiàn)在也在21世紀(jì)的制造技術(shù)中占有一席之地。玻璃在人們的生活中無(wú)所不在，其獨(dú)特的透光性和材質(zhì)吸引著藝術(shù)家創(chuàng)造出充滿魅力的藝術(shù)品，同時(shí)也吸引著消費(fèi)者和企業(yè)為此趨之若鶩。然而玻璃特有的脆性也對(duì)玻璃的加工技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，如何探索出高效便捷的玻璃加工技術(shù)，縈繞在企業(yè)和工程師心間。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)材料性質(zhì)的認(rèn)識(shí)不斷深入，對(duì)相關(guān)材料的加工技術(shù)也隨著需求不斷地革新，其中3D打印技術(shù)便是一項(xiàng)具有突破性的技術(shù)。3D打印具有節(jié)約材料、裝置便捷、可打印物品形狀靈活、打印零件精密、生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是引領(lǐng)下一次制造業(yè)革命的加工技術(shù)。目前可用的各種3D打印技術(shù)已用于聚合物或金屬，但其在玻璃加工領(lǐng)域的應(yīng)用則略顯疲乏。為了更方便高效的加工出復(fù)雜的玻璃制品，相關(guān)科研人員和工程師經(jīng)過(guò)試驗(yàn)探索，將3D打印技術(shù)（增材制造）引入到玻璃制品的加工中來(lái)。
相較于研發(fā)及應(yīng)用較為成熟的陶瓷和金屬等材料，玻璃材質(zhì)熔點(diǎn)高且玻璃液體固化成型需要經(jīng)過(guò)保溫、退火等步驟，需要精確控制溫度以避免發(fā)生炸裂等現(xiàn)象，因此玻璃材料的3D打印的難度更大。
3D打印玻璃技術(shù)的分類(lèi)
以3D打印過(guò)程中是否需要采用激光為分類(lèi)依據(jù)，可以將玻璃的3D打印技術(shù)簡(jiǎn)單的分為非激光3D打印技術(shù)與激光3D打印技術(shù)。其中非激光3D打印技術(shù)有融熔沉積成形（FDM）、黏結(jié)劑噴射打印成形、光固化立體成形（SLA）；激光3D打印技術(shù)主要為激光燒結(jié)/熔融（SLS/SLM）技術(shù)。
黏結(jié)劑噴射打印成形
Marchelli等人采用麥芽糖糊精為黏結(jié)劑將玻璃粉與輔料混合，采用3D打印方式通過(guò)噴墨打印噴射黏結(jié)劑助活劑打印立體物件。隨后對(duì)打印出的坯體進(jìn)行后處理，主要處理過(guò)程為定溫凈化、升溫熔合、自然冷卻等步驟。不同的溫度變化對(duì)材料的收縮也有一定的影響。此外，不同粒徑玻璃粉體原料3D打印燒結(jié)出的成品，其表面粗糙程度和層間紋理厚度也不盡相同。
（a）打印樣件的收縮照片
（b）不同粒徑玻璃粉打印出的樣品（標(biāo)尺為毫米級(jí)）
融熔沉積成形（FDM）
Klein等人采用熔融擠出成型的方法，其獨(dú)特的3D打印噴嘴可維持在一定高度，水平連續(xù)擠出熔融玻璃，通過(guò)控制噴嘴的移動(dòng)速度可以進(jìn)行較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的玻璃構(gòu)建制備。該法打印出的玻璃制品，表面光滑且擁有較高的光學(xué)透明度。
熔融噴嘴打印過(guò)程
光固化立體成形（SLA）
Frederik Kotz等人將高純度石英玻璃和少量液體聚合物的納米粒子混合在一起，并通過(guò)立體光刻法在特定點(diǎn)通過(guò)光線固化。保持液態(tài)的材料在溶劑浴中洗出，僅留下所需的固化結(jié)構(gòu)。隨后通過(guò)加熱除去仍混合在該玻璃結(jié)構(gòu)中的聚合物。此時(shí)坯體仍然不穩(wěn)定，因此需要進(jìn)一步燒結(jié)使玻璃顆粒熔化并自然冷卻成型。
光固化立體成形流程
激光3D打印玻璃技術(shù)
激光燒結(jié)技術(shù)在金屬、陶瓷等材料的3D打印中應(yīng)用較為廣泛，激光輻照區(qū)域所產(chǎn)生的局部高溫可以滿足絕大多數(shù)高熔點(diǎn)材料的熔融成型需要，其中便包括玻璃粉體的3D打印成型加工。
Lee等人采用單斜晶體HBO2作為黏結(jié)劑與氧化鋁-鋅硼硅玻璃粉復(fù)合，利用SLS打印玻璃陶瓷復(fù)合物，隨后進(jìn)行高溫處理得到成品構(gòu)件。通過(guò)對(duì)不同溫度區(qū)間內(nèi)所燒結(jié)的材料檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)陶瓷玻璃的密度和抗彎強(qiáng)度都存在影響。
激光3D打印玻璃的應(yīng)用
3D打印技術(shù)應(yīng)用在玻璃制品的加工方面其最突出的優(yōu)勢(shì)便是，精確可控的三維空間模型制造突破了傳統(tǒng)的模壓法和吹泡法在復(fù)雜內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的局限。因此激光3D打印玻璃存在著不錯(cuò)的應(yīng)用市場(chǎng)。如精美光學(xué)飾品、微化學(xué)分析器和光學(xué)元件等對(duì)制品空間構(gòu)造有需求的應(yīng)用方向。
目前玻璃的3D打印仍存在一些問(wèn)題，如打印精度低、產(chǎn)品的熱處理過(guò)程存在變形等問(wèn)題，此外，受限于相關(guān)加工設(shè)備的發(fā)展，目前激光3D打印的玻璃樣件尺寸較小，離實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化還有一定的距離。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)3D打印技術(shù)在玻璃制品的加工上將煥發(fā)出不一樣的光彩。
參考資料:
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林宣成．連續(xù)液面成型3D打印技術(shù)及建筑模型制作
顧釗銓?zhuān)环N新型玻璃3D打印方案
楊玥. 激光3D打印玻璃研究進(jìn)展
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Lee I S. Rapid full densification of alumina-glass composites fabricate by a select laser sintering process
Marchelli G. The guide to glass 3D printing: Developments, methods,diagnostics and results
Frederik Kotz. Three-dimensional printing of transparent fused silica glass.
