科学家开发创新的3D打印技术用光线创造玻璃微结构

发表于 2年以前 | 总阅读数：477 次

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研究人员与德国弗赖堡大学的科学家们合作，扩展了他们三年前开发的3D打印工艺--计算轴向光刻技术（CAL）的能力，以打印更精细的特征，并在玻璃中打印。他们把这个新系统称为“micro-CAL”。

玻璃通常是制造复杂微观物体的首选材料，包括智能手机和内窥镜中使用的小型高质量相机的镜头，以及用于分析或处理微量液体的微流体装置。然而，目前的制造方法可能是缓慢的、昂贵的，而且在满足该行业日益增长的需求方面能力有限。

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CAL工艺与今天的工业3D打印制造工艺有根本的不同，后者是用薄薄的材料层建立起物体。这种技术可能会耗费大量时间，而且会导致粗糙的表面纹理。然而，CAL是同时对整个物体进行3D打印的。研究人员使用激光将光的模式投射到旋转的光敏材料中，建立起一个三维光剂量，然后凝固成所需的形状。CAL工艺的无层性使得光滑的表面和复杂的几何形状成为可能。

这项研究突破了CAL的界限，展示了其在玻璃结构中打印微尺度特征的能力。“当我们在2019年首次发表这种方法时，CAL可以将物体打印到聚合物中，其特征大小约为三分之一毫米，”加州大学伯克利分校的主要研究人员和机械工程教授 Hayden Taylor说。

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“现在，通过micro-CAL，我们可以在聚合物中打印物体，其特征小到约2000万分之一米，或约为人类头发宽度的四分之一。而且，我们首次展示了这种方法不仅可以在聚合物中打印，还可以在玻璃中打印，其特征可缩小至约五千万分之一米。”

为了打印玻璃，Taylor和他的研究团队与弗赖堡大学的科学家们合作，他们开发了一种特殊的树脂材料，其中含有玻璃的纳米颗粒，周围是光敏的粘合剂液体。来自打印机的数字光投射使粘结剂凝固，然后研究人员对打印的物体进行加热，以去除粘结剂，并将颗粒融合在一起，成为纯玻璃的固体物体。

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Taylor说：“这里的关键因素是，粘合剂的折射率与玻璃的折射率几乎相同，因此，光线通过材料时几乎没有散射。CAL印刷工艺和这种Glassomer （GmbH）开发的材料是彼此的完美结合。”

研究小组还进行了测试，发现CAL打印的玻璃物体比使用传统的基于层的打印工艺制造的物体具有更稳定的强度。 Taylor说：“当玻璃物体含有更多的缺陷或裂缝，或有一个粗糙的表面时，它们往往更容易破碎。因此，与其他基于层的3D打印工艺相比，CAL制作表面更光滑的物体的能力是一个很大的潜在优势。”

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CAL的3D打印方法为微观玻璃物体的制造商提供了一种新的和更有效的方法，以满足客户对几何形状、尺寸和光学及机械性能的苛刻要求。具体来说，这包括微观光学部件的制造商，这些部件是紧凑型相机、虚拟现实头显、高级显微镜和其他科学仪器的关键部分。 Taylor说：“能够以更快的速度和更大的几何自由度制造这些部件，有可能带来新的设备功能或更低的成本。”