LLNL科学家与合作者展示了透明玻璃3D打印的合成过程，最终有可能导致改变激光和其他光学设备的发展。

4月28日，来自明尼苏达大学和俄克拉荷马州立大学的科学家报告了利用3D打印技术制作透明玻璃组件的方法，相关文章发表在《Advanced Materials》。在论文中，研究人员描述了一种能够改变玻璃结构和成分梯度的3D打印技术，这项技术是传统制造工艺无法实现的。

LLNL化学工程师和项目负责人Rebecca Dylla Spears 说：“实验室一直通过不同方式寻找光学应用方面的新材料。”“我们不会取代传统方法制造的光学材料，但我们正在尝试通过添加剂赋予其新功能，这是打印梯度光学玻璃的第一步。”

其他研究机构已经验证了玻璃3D打印的可行性，但是之前的验证是通过加热打印头挤压熔融玻璃细丝，或利用激光对玻璃粉选择性地熔化和融合。研究人员称：“用该方法在加热及打印的过程中，粉末和细丝在短时间内不能完全融合在一起，从而导致多孔或非均匀的结构，这不适合光学应用。”

与印刷熔融玻璃不同，劳伦斯·利弗莫尔实验室研究人员创造了一种由浓缩悬浮液的玻璃颗粒制成的油墨，具有高度可控的流动性，能够实现在室温打印。经过严格设计的热处理后，打印部件密度增加，并删除打印过程中的残留物。最后，对加工后的部件进行光学质量抛光处理。研究人员说，该方法将有可能提高光学均匀性。

玻璃3D打印的过程：a）从喷嘴挤出所需的二氧化硅填充墨水（比例尺=500um）；b）在特氟龙网格上，使从基板的部分释放油墨打印所需的几何形状（比例尺= 5mm），C）印刷油墨干燥后留下将一个约束硅粉的多孔粉盒，D）硅粉在高温下形成一个透明的、3D打印玻璃部件。

LLNL材料工程师Du Nguyen说：“打印高质量的光学部件时，不可能看到任何孔和线，他们必须是透明的。” 在找到合适的组合之前，他们试用许多材料的混合物。他说：“一旦我们得到了通用的配方，我们将利用它在打印过程中融合材料”。许多其他研究组打印玻璃时先熔化玻璃，然后冷却下来，这有可能产生残余应力和开裂。因为我们在室温下打印，不存在这个问题。”

LLNL的方法是用“悬浊液”的二氧化硅粒子直接挤压墨水的书写过程，打印出来的产品不透明，但干燥和热处理后变得透明。研究人员说：“与熔融玻璃3D打印相比，这种方法在打印过程中不需要高温度，从而拥有更高的分辨率特性。”

Dylla Spears说：“这是重要的第一步，目前没有使用这种打印方法进行致密、透明3D打印玻璃结构的情况。” Dylla Spears还说：“我们正在走向3D打印光学玻璃。”

该研究可以让科学家在单个平面光学玻璃上打印不同折射率的玻璃，而不是被要求为了实现类似透镜特性的恒定组成的特殊形状。Nguye说：“由于具有编程的能力，完成部件的打印将更容易、更便宜。”

Nguyen说：“复杂抛光或非球面镜片对劳动力强度要求很高，并且需要大量的技能，但抛光平面要容易得多。”通过控制印刷部件的折射率可以改变光的弯曲度，这样可以抛光平面透镜。

研究人员表示：“他们将探索成分梯度的新应用，而不是取代传统光学，但在目前的市场上该成分梯度尚不存在。设计新的光学元件，而不是将现成的光学系统减小尺寸、重量或成本。”

3D印刷的透明液体样品，材料工程师Du Nguyen和化学工程师、项目领导Rebecca Dylla-Spears

LLNL光学与材料科学与技术实验室的项目负责人，Tayyab Suratwala说：“光学加工的研究和发展趋势是自由曲面光学元件，他们几乎可以做任何复杂的形状。将其组合变化并引入到光学元件的3D打印中，可以大大提高该新前沿的能力。”

研究人员说：“虽然该研究可能扩大光学工程师的设计空间，它也可能有光学以外的应用，包括复杂的和以前无法获得设计的玻璃微流控器件”。团队展示了一个3D打印的简单的微流体网络证明，3D打印的玻璃可以改变这一点。”

该项目的材料工程师Eric Duoss说：“在这种情况下，微流控光学器件实现对功能材料的成分和结构的控制，将极大地开拓了3D打印技术的应用空间。” “这是不容易做到的；但是，在包括化学、材料、工程、物理和光学的广泛领域，我们的多学科团队能够识别和克服挑战，去创造一个强大的和可重复的方法来印刷玻璃。”;

目前，透明玻璃已被证明是可行的，研究人员将研究重点转移到通过改变玻璃的组合成分来制作高品质的光学和梯度折射率透镜。下一个难点是梯度折射率光学，这将需要更多的理解过程。

LLNL实验室的定向研究和发展（LDRD）计划正在资助该项研究。

来源： https://lasers.llnl.gov/news/papers-presentations

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