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印,！

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 代碼來轉發(fā)打印指令,。在打印室內,，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對此領域不熟悉的人來說，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變得像塑料一樣容易生產,。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的內表面控制。

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打印玻璃可以實現具有獨特曲率和內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,，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部通道網絡,，目前的生產非常耗時，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,，FDM 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玻璃3D打印。據該初創(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，并對垃圾填埋場產生積極影響,。他們現在正在開發(fā)第三代打印機——Maple 3,。

Maple 3 可以在官網購買，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,。