玻璃用途廣泛、無處不在，并越來越多地應用于光纖、消費電子和微流體等“芯片上的實驗室”(lab-on-a-chip)設備。然而，傳統(tǒng)的玻璃制造技術(shù)成本高、速度慢，3D打印玻璃還往往會產(chǎn)生粗糙的紋理，意味著不少這類器件難以成為光滑的光學鏡片。
近日，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)和加州大學伯克利分校(UC Berkeley)的研究人員使用一種新的基于激光的體積增材制造(VAM)方法，展示了在硅玻璃中3D打印微觀物體的能力，它可以在幾秒或幾分鐘內(nèi)建成無層、精細的光學玻璃。該研究成果發(fā)表在最新一期的《科學》(Science)雜志上。
圖片來源：LLNL
由LLNL和加州大學伯克利分校開發(fā)的“計算軸向光刻”(CAL)技術(shù)受到了計算機斷層掃描(CT)成像方法的啟發(fā)，以《星際迷航》中可以瞬間制造幾乎任何物體的虛構(gòu)設備命名，被稱為“復制器”(the Replicator)。“計算軸向光刻”(CAL)技術(shù)的工作原理是通過目標物體的數(shù)字模型從多個角度計算投影，通過計算優(yōu)化這些投影，然后使用數(shù)字光投影儀將它們傳送到光敏樹脂的旋轉(zhuǎn)體中。隨著時間的推移，投射的光模式在材料中重建或構(gòu)建出3D光劑量分布，在樹脂旋轉(zhuǎn)時，在超過光閾值的點固化物體。完全成形的對象在短短幾秒鐘內(nèi)就會成形——遠比傳統(tǒng)的逐層3D打印技術(shù)快得多。
加州大學伯克利分校的研究人員將一種名為micro-CAL的新型微尺度VAM技術(shù)(使用激光代替LED光源)與一種由德國公司Glassomer和弗萊堡大學開發(fā)的納米復合玻璃樹脂結(jié)合在一起，并打造出了這種堅固的、復雜的微結(jié)構(gòu)玻璃物體，其表面粗糙度只有6納米，精度可達50微米。
該項目首席研究員、加州大學伯克利分校機械工程副教授海登·泰勒(Hayden Taylor)表示，micro-CAL工藝產(chǎn)生的光劑量更高，固化3D物體的速度更快、分辨率更高，與LLNL納米復合樹脂相結(jié)合簡直是“天作之合”，在打印成品的強度上表現(xiàn)出了驚人的效果。
Hayden Taylor指出:“當玻璃制品含有更多的缺陷或裂縫或表面粗糙時，它們往往更容易破碎。因此，與其他3D打印工藝相比，利用CAL制造更光滑表面物體的能力是一個巨大的潛在優(yōu)勢。”
該團隊比較了micro-CAL制造的玻璃的斷裂強度，以及用更傳統(tǒng)的基于層的打印工藝制造的相同大小的物體，發(fā)現(xiàn)CAL打印結(jié)構(gòu)的斷裂載荷更緊密地聚集在一起，這意味著CAL打印組件的斷裂載荷比傳統(tǒng)技術(shù)更。
LLNL的合著者Caitlyn Krikorian Cook是實驗室材料工程部門的小組領導和聚合物工程師，他描述了納米復合樹脂在光照下的固化動力學。Cook表示，在LLNL目前傳統(tǒng)的立體光刻系統(tǒng)中，打印高粘度樹脂即使不是個死胡同，也會是一項挑戰(zhàn)。他補充稱，VAM用于微光學的好處是，它可以產(chǎn)生非常光滑的表面，而不會產(chǎn)生分層偽影，從而在無需額外后處理時間的情況下加快打印速度。
“你可以想象嘗試使用標準制造技術(shù)來創(chuàng)建這些小型微光學和復雜的微結(jié)構(gòu)，這真的不可能。”庫克(Cook)表示，“但現(xiàn)在由于采用新工藝進行直接打印，而無需拋光技術(shù)，節(jié)省了大量的時間。如果你能在光學成型后消除拋光步驟，你就能打印出可以使用的零件。”
Cook使用光譜儀進行了原位樹脂表征，以測量材料光聚合動力學中抑制劑修飾劑的閾值響應。這種修飾劑與激光VAM方法的精確性相結(jié)合，是在微尺度上打印高分辨率光學圖像的“秘訣”。
在過去的幾年里，LLNL和UC Berkeley的VAM合作項目已經(jīng)試驗了用不同的樹脂和材料來創(chuàng)造復雜的物體。最新的進展源于與加州大學伯克利分校的一項研究，該研究發(fā)現(xiàn)了新的多用途材料類別，可以擴大VAM方法可實現(xiàn)的化學性質(zhì)和材料性能的范圍。
Cook和加州大學伯克利分校的研究人員表示，VAMA打印玻璃可以沖擊具有微觀特征的固體玻璃設備，生產(chǎn)具有更多幾何自由度、更高速度的光學元件，并可能帶來新功能或更低成本的產(chǎn)品。
未來，這一工藝的應用可能包括高質(zhì)量相機、消費電子產(chǎn)品、生物醫(yī)學成像、化學傳感器、虛擬現(xiàn)實耳機、高級顯微鏡和具有挑戰(zhàn)性的3D幾何形狀的微流體，如“芯片上的實驗室”應用。此外，玻璃的良性特性有利于生物材料，或在高溫或耐化學物質(zhì)的情況下。
UC Berkeley/LLNL的團隊也在研究生物打印的應用，比如結(jié)合使用VAM和投影微立體平版技術(shù)制造器官或“肺型”(lung-type)結(jié)構(gòu)。
未來，Cook和她在LLNL的團隊將進一步調(diào)整VAM的分辨率和和打印速度。Cook繼續(xù)支持相關(guān)功能和材料的發(fā)展，而她的小組成員Dominique Porcincula和Rebecca Walton目前也正開展一個VAM可行性研究，計劃將VAM玻璃3D打印用于更大的光學鏡片與器件制造。
