玻璃3D打�,。翰牧�,、工藝過程與應用

玻璃3D打印是增材制造領域的一項新興技術,，能夠產(chǎn)生一條可以一次打印一層的熔融線，這一過程與熔融沉積成型 (FDM) 打印機非常相似,，但工作溫度大約比FDM高10倍,。3D打印玻璃引起了科學家和藝術家的廣泛關注，為玻璃的定制制造提供了新途徑,。接下來,，南極熊將詳細介紹玻璃3D打印的工作原理,、打印機的組成部分，以及玻璃3D打印在各個行業(yè)中的應用,！



玻璃 3D 打�,。夯�礎知識


△玻璃打印

玻璃3D打印不像木材或金屬填充的長絲那樣容易制造，木材和金屬小顆粒能夠分散在長絲中,，模仿材料的紋理,。但真正的玻璃3D打印機需要純玻璃來打印(有些人已經(jīng)找到了在樹脂中添加玻璃顆粒來進行打印的方法），目前常用和主流的仍然是FDM式打印機,，因此南極熊將重點放在這些打印機上,，最后再介紹最玻璃-樹脂打印。

從粉碎玻璃,、熔化玻璃,，到制造打印機所需的燈絲，需要執(zhí)行很多步驟,。目前,，該領域的許多人正在生產(chǎn)自己的庫存材料。然后使用3D打印機將熔融玻璃一層又一層地以線條的形式打印出來,。整個流程與FDM相似,，但最大的區(qū)別在于玻璃3D打印機需要更多的熱量，打印溫度高達1,300 °C,，腔室溫度高達400 °C,，是一個熱噴嘴！

材料


△從瓶子到碎片到玻璃棒再到打�,�,！

玻璃的種類有很多，鈉鈣玻璃,、藝術玻璃,、水晶玻璃，甚至回收玻璃瓶等玻璃都可以進行3D打印,，其中不同的細絲由不同的材料制成,，需要不同的溫度。

玻璃 3D 打印機（例如Maple Glass Printing 的 Maple 3）使用玻璃棒,，玻璃棒通過頂部的孔插入玻璃 3D 打印機,，通向加熱元件，然后通向噴嘴,。通過粉碎機后,，廢玻璃進入設備Vitri-Glass來變成玻璃棒，該設備將熔融玻璃拉成棒,，可以生產(chǎn)直徑在3.5至6毫米之間的玻璃棒,，用于玻璃3D打印機,。玻璃3D打印非常適合回收，玻璃甚至可以一次又一次地回收,，而不會降低性能,。

打印過程


△打印外殼

通過上述步驟，玻璃棒已準備好了,，下面可以裝入打印機進行打印了,。請注意，這些玻璃棒沒有纏繞在線軸上,，并且需要在打印時連續(xù)加載到打印機中,。有些打印機可​內(nèi)置有玻璃棒擠壓件，例如麻省理工學院 Neri Oxman 的研究小組生產(chǎn)的設備,。

玻璃 3D 打印機必須將玻璃棒或碎片的溫度提高到 1,300 °C 左右,，使其足夠軟以進行擠出，具體取決于玻璃的類型,。無論哪種形狀的玻璃,，都必須到達這種極端的熱量才能打印到平臺上,。

與大多數(shù)當前的3D 打印機和CNC 機器一樣,，玻璃 3D 打印使用 G 代碼來轉(zhuǎn)發(fā)打印指令。在打印室內(nèi),，正在進行的打印部件處于 400 °C 的高溫下,，直到打印完成并開始緩慢冷卻至室溫。后處理取決于所需的最終用途,。這項技術還處于早期研發(fā)階段,，相信隨著這一領域的不斷發(fā)展，打印機的具體設置可能會有所不同,。

玻璃打印與玻璃的傳統(tǒng)制造


△玻璃制造商

3D打印玻璃不會很快對傳統(tǒng)的大規(guī)模玻璃生產(chǎn)方法構成挑戰(zhàn),。與3D打印塑料一樣，這種玻璃制造最適合用傳統(tǒng)方法（在本例中為玻璃吹制）難以或不可能實現(xiàn)的小眾,、定制或復雜模型,。

玻璃吹制是一項復雜且對體力要求很高的技術，需要多年的培訓才能進行專業(yè)的操作,。對于那些偶爾需要定制玻璃片或?qū)Υ祟I域不熟悉的人來說,，玻璃制造是一個巨大的障礙。擁有一臺玻璃3D打印機可以使該材料的生產(chǎn)變得像塑料一樣容易生產(chǎn),。麻省理工學院致力于改進玻璃3D打印機的研究人員表示能夠控制打印玻璃表面的紋理,，包括玻璃吹制無法實現(xiàn)的內(nèi)表面控制。

應用領域


△藝術與技術的結合是神奇的

許多從事玻璃3D打印的公司和科學家將藝術,、建筑,、光學,、研究和珠寶視為目前將看到玻璃3D打印優(yōu)勢的主要領域。奧克斯曼 (Oxman)結合了藝術,、材料科學和結構工程,，創(chuàng)造了一些令人驚嘆的結構。

作為一種藝術媒介,，3D打印玻璃可以實現(xiàn)具有獨特曲率和內(nèi)部幾何形狀的精確且重復的沉積線,。當光線沿著層線和表面紋理分散和反射時，穿過玻璃結構會產(chǎn)生美麗,、迷人的極光效果,。


推動玻璃打印向前發(fā)展的另一個應用是科學研究。玻璃器皿因其強度,、化學惰性和透明度而成為多個 STEM 領域不可替代的實驗資產(chǎn),，并且需要定制。一個例子是微流體裝置,，研究人員用它來對極少量的材料進行受控實驗,。這些設備包含復雜的內(nèi)部通道網(wǎng)絡，目前的生產(chǎn)非常耗時,，玻璃3D打印可能會改變這一點,；然而，這項技術還未得到全面應用,。

對于微流體等應用所需的小型且復雜的特征,，F(xiàn)DM 式方法可能并不理想，樹脂打印能夠達到更高的分辨率,，一家名為 Glassomer 的初創(chuàng)公司的目標就是做到這一點,。

樹脂玻璃


△通過玻璃打印生產(chǎn)的實驗性微流體裝置

Glassomer是一家由卡爾斯魯厄理工學院研究實驗室NeptunLab成立的德國初創(chuàng)公司，使用含有無定形二氧化硅的液體玻璃樹脂實現(xiàn)玻璃3D打印,。據(jù)該初創(chuàng)公司稱,，這種含玻璃樹脂可以在任何桌面樹脂 3D 打印機上打印。

后處理需要將打印件放入溫度達到 1,300 °C 的烤箱中進行燒結,，以熔化聚合物粘合劑并將玻璃顆粒融合成固體透明件,。該公司聲稱，盡管材料熔化了,，但部件在所有方向上收縮后仍能保持其形狀,。這種類型玻璃打印的表面粗糙度低至幾納米，并允許制造復雜的物理結構,。打印這種樹脂的主要限制是它的壁厚：不能大于 1 厘米,，否則會導致玻璃內(nèi)部破裂。

商業(yè)設備


△玻璃3D打印設備

玻璃3D打印作為一項新技術,，參與其中的人并不多,。上文已經(jīng)提到了玻璃 3D 打印領域的幾個參與者,，但大部分仍處于研發(fā)階段。Maple Glass Printing成為唯一一家提供商業(yè)玻璃 3D 打印設備的公司,。

Maple Glass Printing總部位于澳大利亞,，目標是通過在打印機中使用玻璃來提高玻璃的回收率，從而推動可持續(xù)創(chuàng)造,，并對垃圾填埋場產(chǎn)生積極影響,。他們現(xiàn)在正在開發(fā)第三代打印機——Maple 3。

Maple 3 可以在官網(wǎng)購買,，發(fā)布價格為 45,000 美元,。如果希望能夠用回收的玻璃制造自己的玻璃絲，用戶可以購買Vitri-Glass,，這是他們的高通量自動化玻璃絲擠出機,，價格為 15,000 美元。

目前還沒有很多專門做玻璃3D商業(yè)打印的廠家,，隨著大量研究和研發(fā)工作的推動,，相信將此類技術能夠更快地推向市場。


△這些微結構由玻璃樹脂制成

玻璃3D打印的未來有很多值得期待的地方,。麻省理工學院正在研究先進的玻璃 3D 打印技術,，他們創(chuàng)建了一種低溫解決方案，可以使打印溫度從約 1,000-1,400 °C 降至僅 250 °C,。低溫玻璃制造不僅可以使打印機更安全并減少能耗,，而且還可以添加改變玻璃特性的添加劑。

總而言之,，可以看到玻璃3D打印還處于起步階段，還有很大的增長空間,，尤其是在普及方面,。希望在銷售商業(yè)設備的公司的幫助下，玻璃3D打印的未來將變得更高效,、更容易使用,，從而不斷擴大和發(fā)展。