3D打印石英玻璃 -- 多光子聚合法

法国菲涅尔研究所和国家科学研究中心的研究人员开发了一种基于激光多光子聚合的新工艺，可用于3D打印玻璃制成的复杂光学器件。随着进一步的发展，该新方法可能有助于用于视觉，成像，照明或基于激光的应用的复杂光学器件。相关论文发表在《Optics Letters》上。
 

图1，所提出的方法可以用来制作各种复杂的物体，比如展示的自行车和埃菲尔铁塔。(图片来源:法国菲涅尔研究所)

3D打印过程都是逐层构建的，这里所提出的新工艺通过使用激光束将液态前体转变成或聚合成固态玻璃，这种多光子聚合方法可确保将液体单体分子连接在一起成为固体聚合物的过程仅在精确的激光焦点处进行。使用聚焦的强激光束，通过非线性吸收过程，在激光束波长处聚合一种透明树脂，该树脂装载有添加剂和二氧化硅纳米颗粒。对象直接在体中创建，克服了逐层过程的限制。该工艺可通过连续脱脂和烧结生产二氧化硅零件进程。它可以直接制造尺寸从几微米到几十厘米不等的3D零件，其分辨率理论上仅受用于激光束整形的光学器件的限制，避免了逐层构建工艺的局限性。玻璃是用于制造光学器件的主要材料之一。这项工作代表着使科学家能够3D打印所需的光学组件。

寻找合适的材料

使用传统的逐层方法构建3D玻璃存在一些限制，印刷过程的速度受到构建这些层的时间限制，并且当使用高粘度树脂时，很难创建厚度一致的层。制造复杂零件通常需要支撑，支撑必须精确定位，然后在物体变硬后将其移除。

尽管可以使用多光子聚合来避免逐层方法，但是3D打印玻璃物体需要一种材料，该材料在初始液相期间以及一旦聚合后，都在激光波长下是透明的。它还必须吸收激光波长一半的激光以启动多光子聚合过程。

为此，研究人员使用了一种包含光化学引发剂的混合物来吸收激光、树脂以及高浓度的二氧化硅纳米颗粒。除了可以很好地与激光器配合使用之外，这种混合物的高粘度还可以形成3D零件，而不会产生变形问题，也无需在3D打印期间将物体固定在适当的位置的支撑物。

图2，3D打印系统配置。 （a）实验示意图； （b）实验装置上3D打印混合物中的复杂零件。

这项技术至关重要的是基于Strickland的高功率超短激光器和Mourou的啁啾脉冲放大技术，该技术在2018年获得了诺贝尔奖。研究人员说只有强脉冲和非常短的脉冲才会产生高精度的非线性光聚合，并且不会产生热效应。

测试过程

在确认可以使用二氧化硅纳米颗粒混合物创建固体对象后，研究人员使用其3D打印方法来创建形状复杂的对象。他们还应用了将聚合后的零件转变为玻璃的工艺。论文通信作者Gallais说：“我们的方法有可能被用于生产几乎任何类型的3D玻璃物体。” “例如，我们正在探索生产可用于豪华手表或香水瓶的玻璃部件的可能性。” 研究人员正在努力使这种技术更实用，并通过例如试验价格较低的激光源来降低成本。他们还希望优化工艺以改善表面质量以降低粗糙度。