加州大学开发一种新的3D技术，可打印高光学质量玻璃微结构

根据4月15日发表在《科学》杂志上的一项新研究，加州大学伯克利分校的研究人员开发了一种3D打印玻璃微结构的新方法，这种方法速度更快，可以生产出具有更高光学质量、设计灵活和强度更高物体。
 

△3D打印的玻璃结构，与美国便士大小对比示例。图片来自Joseph Toombs

研究人员与德国Albert Ludwig University of Freiburg大学的科学家开展合作，在他们三年前开发的3D打印工艺基础上实现了新的突破（计算轴向光刻CAL）。以实现更为精细的玻璃构造，他们将这个新系统称为“micro-CAL”。

他们认为，玻璃是制造复杂微观物体的首选材料，包括但不限于智能手机、内窥镜、微型高质量相机镜头，以及用于分析或处理微量液体的微流体设备等。但目前的制造方法可能会很慢、很昂贵，无法满足日益增长的工业化需求。
 

△加州大学可打印高光学质量玻璃微结构视频。视频来自Joseph Toombs

CAL工艺与现有的3D打印工艺有着根本性的不同，传统的方法使用薄层材料构建物体。这种技术可能会耗费大量时间并导致粗糙的表面纹理。然而，CAL可同时对整个对象进行3D 打印。

研究人员将激光投射到光敏材料中，形成一个三维光剂量，然后固化成所需的形状。CAL工艺采用无层特性可实现光滑的表面和复杂的几何形状。
 

Joseph T. Toombs 等人，采用微尺度计算轴向光刻技术的石英玻璃体积增材制造，科学（2022 年）。 DOI：10.1126/science.abm6459，点我文献传送门

“当我们在2019年首次发布这种方法时，那时CAL可以将物体打印成尺寸小至约三分之一毫米的聚合物，”该校首席研究员兼机械工程教授Hayden Taylor说。“现在，通过micro-CAL，我们可以打印小到20 μm的聚合物，或人类头发宽度的四分之一。而且这种方法不仅可以打印聚合物，还可以制成玻璃，可精确到50 μm。

为了打印玻璃，Taylo和他的研究团队还开发了一种特殊的树脂材料，其中包含玻璃纳米颗粒，周围环绕着光敏粘合剂液体。然后，研究人员加热打印出来的物体，去除粘合剂，将颗粒融合在一起，形成一个纯玻璃的固体物体。
 

△Joseph Toombs在实验室里用一把镊子夹着一个3D打印玻璃微结构。图片来自Joseph Toombs

“其中的关键技术是粘合剂的折射率与玻璃的折射率几乎相同，因此光通过材料时几乎没有散射，”Taylor说。

研究小组，包括主要作者Joseph Toombs博士以及Taylor实验室的学生等，他们还发现CAL打印的玻璃物体比传统工艺更具有更一致的强度特征。“当玻璃物体含有更多的缺陷或裂缝，或者表面粗糙时，它们往往更容易破裂，”Taylor说。“因此，与其他基于层的3D打印工艺相比，该技术能够制造出更具有光滑表面的物体，这是一个巨大的潜在优势。”
 

△3D打印的六边形微透镜电显照片。图片来自Joseph Toombs

CAL 3D 打印方法为微型玻璃物体制造商提供了一种新的、更有效的方法，可以满足客户对几何形状、尺寸以及光学和机械性能的苛刻要求。“能够更快地为客户提供更为复杂的新功能设备或成本更低的产品，”Taylor说。

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