玻璃3D打印：材料、工艺过程与应用

玻璃3D打印是增材制造领域的一项新兴技术，能够产生一条可以一次打印一层的熔融线，这一过程与熔融沉积成型 (FDM) 打印机非常相似，但工作温度大约比FDM高10倍。3D打印玻璃引起了科学家和艺术家的广泛关注，为玻璃的定制制造提供了新途径。接下来，南极熊将详细介绍玻璃3D打印的工作原理、打印机的组成部分，以及玻璃3D打印在各个行业中的应用！



玻璃 3D 打印：基础知识


△玻璃打印

玻璃3D打印不像木材或金属填充的长丝那样容易制造，木材和金属小颗粒能够分散在长丝中，模仿材料的纹理。但真正的玻璃3D打印机需要纯玻璃来打印(有些人已经找到了在树脂中添加玻璃颗粒来进行打印的方法），目前常用和主流的仍然是FDM式打印机，因此南极熊将重点放在这些打印机上，Z后再介绍Z玻璃-树脂打印。

从粉碎玻璃、熔化玻璃，到制造打印机所需的丝材，需要执行很多步骤。目前，该领域的许多人正在生产自己的库存材料。然后使用3D打印机将熔融玻璃一层又一层地以线条的形式打印出来。整个流程与FDM相似，但Z大的区别在于玻璃3D打印机需要更多的热量，打印温度高达1,300 °C，腔室温度高达400 °C，是一个热喷嘴！

材料


△从瓶子到碎片到玻璃棒再到打印！

玻璃的种类有很多，钠钙玻璃、艺术玻璃、水晶玻璃，甚至回收玻璃瓶等玻璃都可以进行3D打印，其中不同的细丝由不同的材料制成，需要不同的温度。

玻璃 3D 打印机（例如Maple Glass Printing 的 Maple 3）使用玻璃棒，玻璃棒通过顶部的孔插入玻璃 3D 打印机，通向加热元件，然后通向喷嘴。通过粉碎机后，废玻璃进入设备Vitri-Glass来变成玻璃棒，该设备将熔融玻璃拉成棒，可以生产直径在3.5至6毫米之间的玻璃棒，用于玻璃3D打印机。玻璃3D打印非常适合回收，玻璃甚至可以一次又一次地回收，而不会降低性能。

打印过程


△打印外壳

通过上述步骤，玻璃棒已准备好了，下面可以装入打印机进行打印了。请注意，这些玻璃棒没有缠绕在线轴上，并且需要在打印时连续加载到打印机中。有些打印机可内置有玻璃棒挤压件，例如麻省理工学院 Neri Oxman 的研究小组生产的设备。

玻璃 3D 打印机必须将玻璃棒或碎片的温度提高到 1,300 °C 左右，使其足够软以进行挤出，具体取决于玻璃的类型。无论哪种形状的玻璃，都必须到达这种极端的热量才能打印到平台上。

与大多数当前的3D 打印机和CNC 机器一样，玻璃 3D 打印使用 G 代码来转发打印指令。在打印室内，正在进行的打印部件处于 400 °C 的高温下，直到打印完成并开始缓慢冷却至室温。后处理取决于所需的Z终用途。这项技术还处于早期研发阶段，相信随着这一领域的不断发展，打印机的具体设置可能会有所不同。

玻璃打印与玻璃的传统制造


△玻璃制造商

3D打印玻璃不会很快对传统的大规模玻璃生产方法构成挑战。与3D打印塑料一样，这种玻璃制造Z适合用传统方法（在本例中为玻璃吹制）难以或不可能实现的小众、定制或复杂模型。

玻璃吹制是一项复杂且对体力要求很高的技术，需要多年的培训才能进行专业的操作。对于那些偶尔需要定制玻璃片或对此领域不熟悉的人来说，玻璃制造是一个巨大的障碍。拥有一台玻璃3D打印机可以使该材料的生产变得像塑料一样容易生产。麻省理工学院致力于改进玻璃3D打印机的研究人员表示能够控制打印玻璃表面的纹理，包括玻璃吹制无法实现的内表面控制。

应用领域


△艺术与技术的结合是神奇的

许多从事玻璃3D打印的公司和科学家将艺术、建筑、光学、研究和珠宝视为目前将看到玻璃3D打印优势的主要领域。奥克斯曼 (Oxman)结合了艺术、材料科学和结构工程，创造了一些令人惊叹的结构。

作为一种艺术媒介，3D打印玻璃可以实现具有独特曲率和内部几何形状的精确且重复的沉积线。当光线沿着层线和表面纹理分散和反射时，穿过玻璃结构会产生美丽、迷人的极光效果。

推动玻璃打印向前发展的另一个应用是科学研究。玻璃器皿因其强度、化学惰性和透明度而成为多个 STEM 领域不可替代的实验资产，并且需要定制。一个例子是微流体装置，研究人员用它来对极少量的材料进行受控实验。这些设备包含复杂的内部通道网络，目前的生产非常耗时，玻璃3D打印可能会改变这一点；然而，这项技术还未得到全面应用。

对于微流体等应用所需的小型且复杂的特征，FDM 式方法可能并不理想，树脂打印能够达到更高的分辨率，一家名为 Glassomer 的初创公司的目标就是做到这一点。

树脂玻璃


△通过玻璃打印生产的实验性微流体装置

Glassomer是一家由卡尔斯鲁厄理工学院研究实验室NeptunLab成立的德国初创公司，使用含有无定形二氧化硅的液体玻璃树脂实现玻璃3D打印。据该初创公司称，这种含玻璃树脂可以在任何桌面树脂 3D 打印机上打印。

后处理需要将打印件放入温度达到 1,300 °C 的烤箱中进行烧结，以熔化聚合物粘合剂并将玻璃颗粒融合成固体透明件。该公司声称，尽管材料熔化了，但部件在所有方向上收缩后仍能保持其形状。这种类型玻璃打印的表面粗糙度低至几纳米，并允许制造复杂的物理结构。打印这种树脂的主要限制是它的壁厚：不能大于 1 厘米，否则会导致玻璃内部破裂。

商业设备


△玻璃3D打印设备

玻璃3D打印作为一项新技术，参与其中的人并不多。上文已经提到了玻璃 3D 打印领域的几个参与者，但大部分仍处于研发阶段。Maple Glass Printing成为唯一一家提供商业玻璃 3D 打印设备的公司。

Maple Glass Printing总部位于澳大利亚，目标是通过在打印机中使用玻璃来提高玻璃的回收率，从而推动可持续创造，并对垃圾填埋场产生积极影响。他们现在正在开发第三代打印机——Maple 3。

Maple 3 可以在官网购买，发布价格为 45,000 美元。如果希望能够用回收的玻璃制造自己的玻璃丝，用户可以购买Vitri-Glass，这是他们的高通量自动化玻璃丝挤出机，价格为 15,000 美元。

目前还没有很多专门做玻璃3D商业打印的厂家，随着大量研究和研发工作的推动，相信将此类技术能够更快地推向市场。


△这些微结构由玻璃树脂制成

玻璃3D打印的未来有很多值得期待的地方。麻省理工学院正在研究先进的玻璃 3D 打印技术，他们创建了一种低温解决方案，可以使打印温度从约 1,000-1,400 °C 降至仅 250 °C。低温玻璃制造不仅可以使打印机更安全并减少能耗，而且还可以添加改变玻璃特性的添加剂。

总而言之，可以看到玻璃3D打印还处于起步阶段，还有很大的增长空间，尤其是在普及方面。希望在销售商业设备的公司的帮助下，玻璃3D打印的未来将变得更高效、更容易使用，从而不断扩大和发展。