新型激光增材制造工艺登上《科学》！可几秒钟内3D打印出光滑玻璃

玻璃用途广泛、无处不在，并越来越多地应用于光纤、消费电子和微流体等“芯片上的实验室”（lab-on-a-chip）设备。然而，传统的玻璃制造技术成本高、速度慢，3D打印玻璃还往往会产生粗糙的纹理，意味着不少这类器件难以成为光滑的光学镜片。

近日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的研究人员使用一种新的基于激光的体积增材制造(VAM)方法，展示了在硅玻璃中3D打印微观物体的能力，它可以在几秒或几分钟内建成无层、精细的光学玻璃。该研究成果发表在最新一期的《科学》（Science）杂志上。

图片来源：LLNL

由LLNL和加州大学伯克利分校开发的“计算轴向光刻”(CAL)技术受到了计算机断层扫描(CT)成像方法的启发，以《星际迷航》中可以瞬间制造几乎任何物体的虚构设备命名，被称为“复制器”（the Replicator）。“计算轴向光刻”(CAL)技术的工作原理是通过目标物体的数字模型从多个角度计算投影，通过计算优化这些投影，然后使用数字光投影仪将它们传送到光敏树脂的旋转体中。随着时间的推移，投射的光模式在材料中重建或构建出3D光剂量分布，在树脂旋转时，在超过光阈值的点固化物体。完全成形的对象在短短几秒钟内就会成形——远比传统的逐层3D打印技术快得多。

加州大学伯克利分校的研究人员将一种名为micro-CAL的新型微尺度VAM技术(使用激光代替LED光源)与一种由德国公司Glassomer和弗莱堡大学开发的纳米复合玻璃树脂结合在一起，并打造出了这种坚固的、复杂的微结构玻璃物体，其表面粗糙度只有6纳米，精度可达50微米。

该项目首席研究员、加州大学伯克利分校机械工程副教授海登·泰勒(Hayden Taylor)表示，micro-CAL工艺产生的光剂量更高，固化3D物体的速度更快、分辨率更高，与LLNL纳米复合树脂相结合简直是“天作之合”，在打印成品的强度上表现出了惊人的效果。

Hayden Taylor指出:“当玻璃制品含有更多的缺陷或裂缝或表面粗糙时，它们往往更容易破碎。因此，与其他3D打印工艺相比，利用CAL制造更光滑表面物体的能力是一个巨大的潜在优势。”

该团队比较了micro-CAL制造的玻璃的断裂强度，以及用更传统的基于层的打印工艺制造的相同大小的物体，发现CAL打印结构的断裂载荷更紧密地聚集在一起，这意味着CAL打印组件的断裂载荷比传统技术更。

LLNL的合著者Caitlyn Krikorian Cook是实验室材料工程部门的小组领导和聚合物工程师，他描述了纳米复合树脂在光照下的固化动力学。Cook表示，在LLNL目前传统的立体光刻系统中，打印高粘度树脂即使不是个死胡同，也会是一项挑战。他补充称，VAM用于微光学的好处是，它可以产生非常光滑的表面，而不会产生分层伪影，从而在无需额外后处理时间的情况下加快打印速度。

“你可以想象尝试使用标准制造技术来创建这些小型微光学和复杂的微结构，这真的不可能。”库克（Cook）表示，“但现在由于采用新工艺进行直接打印，而无需抛光技术，节省了大量的时间。如果你能在光学成型后消除抛光步骤，你就能打印出可以使用的零件。”

Cook使用光谱仪进行了原位树脂表征，以测量材料光聚合动力学中抑制剂修饰剂的阈值响应。这种修饰剂与激光VAM方法的精确性相结合，是在微尺度上打印高分辨率光学图像的“秘诀”。

在过去的几年里，LLNL和UC Berkeley的VAM合作项目已经试验了用不同的树脂和材料来创造复杂的物体。最新的进展源于与加州大学伯克利分校的一项研究，该研究发现了新的多用途材料类别，可以扩大VAM方法可实现的化学性质和材料性能的范围。

Cook和加州大学伯克利分校的研究人员表示，VAMA打印玻璃可以冲击具有微观特征的固体玻璃设备，生产具有更多几何自由度、更高速度的光学元件，并可能带来新功能或更低成本的产品。

未来，这一工艺的应用可能包括高质量相机、消费电子产品、生物医学成像、化学传感器、虚拟现实耳机、高级显微镜和具有挑战性的3D几何形状的微流体，如“芯片上的实验室”应用。此外，玻璃的良性特性有利于生物材料，或在高温或耐化学物质的情况下。

UC Berkeley/LLNL的团队也在研究生物打印的应用，比如结合使用VAM和投影微立体平版技术制造器官或“肺型”（lung-type）结构。

未来，Cook和她在LLNL的团队将进一步调整VAM的分辨率和和打印速度。Cook继续支持相关功能和材料的发展，而她的小组成员Dominique Porcincula和Rebecca Walton目前也正开展一个VAM可行性研究，计划将VAM玻璃3D打印用于更大的光学镜片与器件制造。