3D打印玻璃可實(shí)現(xiàn)集成下一代傳感，成像和光子學(xué)

魔猴君  行業(yè)資訊   1569天前

對(duì)于下一代光子學(xué)，傳感和成像技術(shù)，3D打印玻璃的功能對(duì)于開(kāi)發(fā)高度復(fù)雜，自由形式或小規(guī)模的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。然而，事實(shí)證明，很難對(duì)3D打印玻璃進(jìn)行處理，玻璃的熔點(diǎn)超過(guò)1400°C，同時(shí)還保留了其獨(dú)特的化學(xué)，機(jī)械和光學(xué)特性。

最新的進(jìn)展不僅成功的3D打印玻璃具有與商用玻璃相同的特性和形狀，而且還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了特定的3D打印技術(shù)來(lái)以前所未有的規(guī)模和復(fù)雜性來(lái)打印玻璃結(jié)構(gòu)，并且具有可定制性光學(xué)性質(zhì)。其中之一是OptoGlass3D，這是由Glassomer GmbH和Nanoscribe GmbH開(kāi)發(fā)的新穎3D打印玻璃方法，由弗萊堡大學(xué)的Bastian Rapp教授和NeptunLab負(fù)責(zé)人領(lǐng)導(dǎo)。

圖片由NeptunLab KIT提供

OptoGlass3D項(xiàng)目獲得了ATTRACT的為期一年的100,000歐元資助，這是一項(xiàng)合作計(jì)劃，將歐洲的研究，行業(yè)和投資界聚集在一起，通過(guò)簡(jiǎn)化突破性的創(chuàng)新并使用新的技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)下一代傳感和成像解決方案。 大規(guī)模開(kāi)放創(chuàng)新模型。反過(guò)來(lái)，ATTRACT則由“歐盟地平線2020”計(jì)劃提供資金，迄今為止已向170個(gè)致力于突破性創(chuàng)新的項(xiàng)目提供了贈(zèng)款。

2017年，卡爾斯魯厄技術(shù)學(xué)院（KIT）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種3D打印玻璃的立體光刻（SLA）方法，分辨率為幾十微米，甚至可能為150-500納米（僅為二氧化硅顆粒大小的十倍）。通過(guò)使用注入了玻璃納米粉墨的光固化聚合物作為材料，該方法可以在室溫下進(jìn)行3D打印，并產(chǎn)生具有與商用熔融石英玻璃相當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)，表面和組成特性的物體。他們的研究發(fā)表在《自然》雜志上，由Frederik Kotz和Bastian Rapp領(lǐng)導(dǎo)，他們于2018年成立了Glassomer GmbH，以生產(chǎn)和供應(yīng)Glassomers，這是一種新型材料，也可以用于任何現(xiàn)成的SLA 3D打印機(jī)。作為“液體玻璃”方法來(lái)處理類似聚合物的3D打印熔融石英玻璃。

不久，該公司憑借其3D打印玻璃的創(chuàng)新贏得了Formnext 2019啟動(dòng)挑戰(zhàn)賽等眾多獎(jiǎng)項(xiàng)。這種液體玻璃材料是一種包含無(wú)定形二氧化硅材料的納米復(fù)合材料，可用于3D打印幾乎任何種類的玻璃物體（其性質(zhì)與商用熔融石英玻璃完全相同），其特征分辨率為數(shù)十微米，表面粗糙度在幾微米之內(nèi)納米。

Glassomer首席科學(xué)官Kotz解釋了這些進(jìn)展的相關(guān)性：

通常情況下，這些都是使用聚合物完成的，但是聚合物缺乏透明度和耐高純玻璃所提供的耐極端溫度和化學(xué)藥品的能力。高不透明度對(duì)于光學(xué)數(shù)據(jù)處理以及對(duì)于高功率激光器也很重要，后者也需要耐熱材料。同時(shí)，各種工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用都需要能夠應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的材料。人們一直想在這些應(yīng)用中使用玻璃，但并非總是可能的，因?yàn)椴豢赡芤赃@些高分辨率進(jìn)行成形。純玻璃（二氧化硅）在如此高的溫度下熔化，以至于很難為其形成堅(jiān)固的模具，而低純度玻璃則缺乏所需的性能。這些工業(yè)用途還需要比其他玻璃成型方法更小的更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。”

圖片由KIT和NeptunLab提供

該過(guò)程由兩個(gè)階段組成，其中首先對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行3D打印，然后分別在600°C和1300°C下加熱和燒結(jié)，以留下完全透明，均勻，無(wú)孔的玻璃物體。

圖片由KIT和NeptunLab提供，Glassomer，Nanoscribe

與Nanoscribe和Glassomer合作，OptoGlass3D項(xiàng)目將開(kāi)發(fā)用于2PP技術(shù)的特定材料，然后將其商業(yè)化。如項(xiàng)目目標(biāo)所述：“在該項(xiàng)目期間，財(cái)團(tuán)將開(kāi)發(fā)LiquidGlass配方，該配方可以通過(guò)Nanoscribe的2PP工藝以及所需的工藝條件，參數(shù)和（可能的）儀器適應(yīng)性來(lái)構(gòu)造。基于LiquidGlass工藝配方，將進(jìn)行修改，以允許生成具有可調(diào)光學(xué)特性（例如折射率）的光學(xué)玻璃，這些光學(xué)玻璃將在1.46到1.50的范圍內(nèi)可調(diào)。該技術(shù)能力的驗(yàn)證將通過(guò)制造演示樣品來(lái)展示，這些演示樣品針對(duì)可調(diào)折射和高分辨率衍射光學(xué)器件的玻璃組件的潛力?！?/span>

玻璃3D打印的早期方法探索了在燒結(jié)系統(tǒng)中使用玻璃粉末的方法。這種情況不斷發(fā)展，2015年，以色列的Micron3DP宣布了其用于玻璃的基于高溫?cái)D出的3D打印系統(tǒng)。然而，由于玻璃結(jié)構(gòu)的孔隙率和均勻性問(wèn)題，這些受到限制。由于當(dāng)時(shí)缺乏足夠的市場(chǎng)，該公司停止了該產(chǎn)品的生產(chǎn)。

此后，麻省理工學(xué)院的研究人員在玻璃3D打印方面取得了進(jìn)一步的進(jìn)展，他們開(kāi)發(fā)了基于擠壓的熔融玻璃打印機(jī)：G3DP和改進(jìn)的G3DP2，用于工業(yè)生產(chǎn)。由于此3D打印玻璃的分辨率有限，因此不適用于需要高分辨率和精確微結(jié)構(gòu)的高科技應(yīng)用。然而，它確實(shí)允許制造只能使用3D打印制造的復(fù)雜，定制零件，并且這些零件可以應(yīng)用于美學(xué)設(shè)計(jì)和建筑中，這些零件在2017年的米蘭設(shè)計(jì)周上展出。

2017年，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory）開(kāi)發(fā)了一種直接墨水書(shū)寫(xiě)方法，可在室溫下印刷玻璃，從而可以實(shí)現(xiàn)具有更高光學(xué)均勻性的高分辨率零件。由此，可以調(diào)整玻璃的性質(zhì)和組成，例如允許在單個(gè)平面光學(xué)器件中印刷折射率不同的玻璃。 2019年，加拿大拉瓦爾大學(xué)（Universite Laval）的研究人員在光學(xué)材料快訊（Optical Materials Express）中發(fā)表的研究表明，基于長(zhǎng)絲的方法可以對(duì)具有復(fù)雜幾何形狀的3D打印硫?qū)倩锊ＡнM(jìn)行研究，該方法在國(guó)防和安全，生物醫(yī)學(xué)，電信等領(lǐng)域的紅外傳感器和成像應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用范圍和更多。諸如OptoGlass3D之類的此類進(jìn)步為3D打印玻璃開(kāi)辟了一系列新穎的應(yīng)用和可能性，尤其是在下一代自由形式的光學(xué)器件，傳感器，成像和微流體設(shè)備中。

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