日前，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員開發(fā)了一種3D打印玻璃微結(jié)構(gòu)的新方法。該方法速度更快，生產(chǎn)的物體具有更高的光學(xué)質(zhì)量、設(shè)計(jì)靈活性和強(qiáng)度。該研究結(jié)果發(fā)表在 近期的《科學(xué)》雜志上。

加州大學(xué)伯克利分校的研究人員與德國(guó)弗賴堡大學(xué)的科學(xué)家們合作，擴(kuò)展了他們?nèi)昵伴_發(fā)的3D打印工藝——計(jì)算軸向光刻技術(shù)（CAL）的能力，以打印更精細(xì)的特征，并在玻璃中打印。他們把這個(gè)新系統(tǒng)稱為“micro-CAL”。

玻璃通常是制造復(fù)雜微觀物體的首選材料，包括智能手機(jī)和內(nèi)窺鏡中使用的小型高質(zhì)量相機(jī)的鏡頭，以及用于分析或處理微量液體的微流體裝置。然而，目前的制造方法可能是緩慢的、昂貴的，而且在滿足該行業(yè)日益增長(zhǎng)的需求方面能力有限。

CAL工藝與今天的工業(yè)3D打印制造工藝有根本的不同，后者是用薄薄的材料層建立起物體。這種技術(shù)可能會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，而且會(huì)導(dǎo)致粗糙的表面紋理。然而，CAL是同時(shí)對(duì)整個(gè)物體進(jìn)行3D打印的。研究人員使用激光將光的模式投射到旋轉(zhuǎn)的光敏材料中，建立起一個(gè)三維光劑量，然后凝固成所需的形狀。CAL工藝的無(wú)層性使得光滑的表面和復(fù)雜的幾何形狀成為可能。

這項(xiàng)研究突破了CAL的界限，展示了其在玻璃結(jié)構(gòu)中打印微尺度特征的能力。“當(dāng)我們?cè)?019年首次發(fā)表這種方法時(shí)，CAL可以將物體打印到聚合物中，其特征大小約為三分之一毫米，”加州大學(xué)伯克利分校的主要研究人員和機(jī)械工程教授 Hayden Taylor說(shuō)。

“現(xiàn)在，通過micro-CAL，我們可以在聚合物中打印物體，其特征小到約2000萬(wàn)分之一米，或約為人類頭發(fā)寬度的四分之一。而且，我們首次展示了這種方法不僅可以在聚合物中打印，還可以在玻璃中打印，其特征可縮小至約五千萬(wàn)分之一米。”

為了打印玻璃，Taylor和他的研究團(tuán)隊(duì)與弗賴堡大學(xué)的科學(xué)家們合作，他們開發(fā)了一種特殊的樹脂材料，其中含有玻璃的納米顆粒，周圍是光敏的粘合劑液體。來(lái)自打印機(jī)的數(shù)字光投射使粘結(jié)劑凝固，然后研究人員對(duì)打印的物體進(jìn)行加熱，以去除粘結(jié)劑，并將顆粒融合在一起，成為純玻璃的固體物體。

Taylor說(shuō)：“這里的關(guān)鍵因素是，粘合劑的折射率與玻璃的折射率幾乎相同，因此，光線通過材料時(shí)幾乎沒有散射。CAL印刷工藝和這種Glassomer （GmbH）開發(fā)的材料是彼此的完美結(jié)合。”

研究小組還進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)CAL打印的玻璃物體比使用傳統(tǒng)的基于層的打印工藝制造的物體具有更穩(wěn)定的強(qiáng)度。Taylor說(shuō)：“當(dāng)玻璃物體含有更多的缺陷或裂縫，或有一個(gè)粗糙的表面時(shí)，它們往往更容易破碎。因此，與其他基于層的3D打印工藝相比，CAL制作表面更光滑的物體的能力是一個(gè)很大的潛在優(yōu)勢(shì)。”

CAL的3D打印方法為微觀玻璃物體的制造商提供了一種新的和更有效的方法，以滿足客戶對(duì)幾何形狀、尺寸和光學(xué)及機(jī)械性能的苛刻要求。具體來(lái)說(shuō)，這包括微觀光學(xué)部件的制造商，這些部件是緊湊型相機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯、高級(jí)顯微鏡和其他科學(xué)儀器的關(guān)鍵部分。Taylor說(shuō)：“能夠以更快的速度和更大的幾何自由度制造這些部件，有可能帶來(lái)新的設(shè)備功能或更低的成本。”

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1126/science.abm6459