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新知 | 離列印一切更近一步的「列印玻璃」

2021/12/25

3D 列印技術雖然被廣泛應用的時間並不算長，可也算得上是一種相對成熟的技術了，畢竟從工業生產到模型製造，甚至很多小公司、個人都擁有了 3D 印表機，每個人都可以隨心所欲地列印出自己想要的東西。

可一直以來，3D 列印受制於材料因素，只能列印一些對溫度要求不高、容易塑性的聚合物材料，這些材料往往需要專門生產。而常見的金屬、玻璃等材料，則因為其對溫度的要求以及其自身的硬度原因，很難作為3D 列印材料用來加工。而像玻璃這種材料，因為其獨特的物理屬性，便擁有了普通聚合物所沒有的美學價值。

最近，終於有人開發出了 3D 列印玻璃的技術。德國的科學家科茲（F.Kotz）等人發表在《自然》雜誌上的論文，就向世界展示了一種用常見的光固化成型（Stereolithography，SLA）3D列印技術，用來製作高透明度、高精度的玻璃製品的工藝方法。

玻璃的原料是石英砂，在常溫下是固態的，在上千度的高溫下才能熔化，顯然不適合常溫加工。使用納米材料看上去是可行的方法——納米級的二氧化硅顆粒也可以提供硅，它很容易合成，也很容易分散在溶液里。分散的問題解決了，還要解決成型的問題。他們把一種光固化高分子材料和二氧化硅顆粒進行複合。這種材料我們在補牙的時候也能見到，平時是液態，只要遇到紫外光照射，小分子們就會拉起手來，形成一張大網，變成堅硬的固態。加入了這種材料，二氧化硅就被固定在網裡。

室溫下把這種「液體原料」倒進模板，然後在紫外光的照射下，模板中的材料會發生交聯、固化，從液體變成固體。脫模后，經過燒結就成了玻璃。簡單地說，這種工藝製作出來的玻璃已經不再是過去的簡單硅酸鹽玻璃，而是高分子材料和硅酸鹽聯手形成的、具有玻璃特性的新材料。

當然，在這個過程中還要加入高分子材料，否則列印出來的產品會出現精度不高、透光度不好等問題。於是，科茲不斷地調整聚合物單體和玻璃原料的成分和配比，終於得到了理想的材料。溶液粘度變得更小，容易加工；燒結出的成品尺寸更穩定；透光率也從開始的4%，提高到了66%。

據報道，這種工藝做出來的產品精度和解析度，直逼傳統工業的最高水平，粗糙度只有幾個納米，光學性能十分優異，可以用作精密儀器上的光學器件。