一種新型玻璃3D打印方案

3D打印是一項(xiàng)可以變革制造業(yè)的新興技術(shù)。通過(guò)數(shù)字模型生產(chǎn)三維實(shí)體，3D打印在近十年受到了社會(huì)各界的關(guān)注，越來(lái)越多的公司、研究機(jī)構(gòu)研發(fā)新型3D打印技術(shù)及3D打印機(jī)，越來(lái)越多的行業(yè)開(kāi)始使用3D打印提高生產(chǎn)效率，力推工業(yè)進(jìn)步和發(fā)展。玻璃工藝是我國(guó)傳統(tǒng)文化的一個(gè)重要標(biāo)志，玻璃制品也是人們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槌Ｒ?jiàn)的類型。然而，傳統(tǒng)的玻璃生產(chǎn)工藝效率低，成品率差，難以完成復(fù)雜形狀的定制。3D打印這項(xiàng)技術(shù)和玻璃產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，不僅可以大大提高玻璃生產(chǎn)的效率，提高成品率，還可以完成復(fù)雜形狀的打印，充分發(fā)揮玻璃藝術(shù)創(chuàng)作者的創(chuàng)作天賦，促進(jìn)玻璃行業(yè)的快速發(fā)展。然而，玻璃3D打印和傳統(tǒng)3D打印相比難度更大，挑戰(zhàn)性更高。玻璃材質(zhì)熔點(diǎn)高，玻璃液態(tài)固化成型需要精確的溫度控制等問(wèn)題，均成為阻礙玻璃3D打印發(fā)展的難題。本文充分利用3D打印現(xiàn)有技術(shù)，基于熔絲堆積打印原理，提出一種新型玻璃3D打印方案，同時(shí)結(jié)合溫度和運(yùn)動(dòng)的精確控制，實(shí)現(xiàn)玻璃制品的打印。

【關(guān)鍵詞】3D打印 玻璃 熔絲堆積 打印機(jī)

1 引言

1.1 3D打印歷史及發(fā)展

3D打印是一項(xiàng)直接從數(shù)字模型通過(guò)材料堆積等方式來(lái)產(chǎn)生三維實(shí)體的技術(shù)。3D打印在很多時(shí)候也被稱為“增材制造”，區(qū)別于數(shù)字化制造中“減材制造”，3D打印主要通過(guò)耗材的堆積和增加，最終達(dá)到數(shù)字化模型的效果。

3D打印技術(shù)可以追溯到上世紀(jì)90年代。在1981年，名古屋工業(yè)研究所發(fā)明了光硬化聚合物的方法制造三維塑料模型，該方法為現(xiàn)在的光固化3D打印技術(shù)的前身。1986年，Chuck Hull發(fā)明立體光刻技術(shù)（stereolithography），用紫外激光固化高分子聚合物，然后將原材料逐層疊加起來(lái)，同時(shí)，Chuck Hull也為該技術(shù)申請(qǐng)了專利，3D打印正式走向商業(yè)用途。1988年，Scott Crump發(fā)明了熔融沉積建模法（fused deposition modeling，F(xiàn)DM），即通過(guò)加熱可熔性材料逐層堆積并生成三維物體的方法。該方法也成為了目前大多數(shù)桌面級(jí)3D打印機(jī)采用的技術(shù)。

在隨后的二十余年，3D打印逐步應(yīng)用到制造、金屬加工等行業(yè)，但是其發(fā)展速度比較緩慢，還沒(méi)有快速走進(jìn)人們的日常生活中。2005年，RepRap項(xiàng)目徹底激發(fā)了3D打印的發(fā)展?jié)摿ΑＴ擁?xiàng)目旨在研究機(jī)器進(jìn)行自我復(fù)制，即快速打印自身RepRap - Replicating Rapid-prototype，主要打印大部分自身塑料組件。由于該項(xiàng)目從軟件到硬件等各種資料都免費(fèi)和開(kāi)源給廣大用戶，越來(lái)越多的用戶基于該項(xiàng)目拓展3D打印技術(shù)，并將該技術(shù)逐步商業(yè)化，也使得越來(lái)越多的行業(yè)接納3D打印并嘗試替換原有技術(shù)。例如，2010年世界第一輛由3D打印機(jī)打印而成的汽車Urbee問(wèn)世；2011年，世界上第一臺(tái)巧克力打印機(jī)出現(xiàn)；2012年，蘇格蘭科學(xué)家嘗試?yán)萌梭w細(xì)胞打印人造肝臟組織。同時(shí)，國(guó)內(nèi)在最近十年也迎來(lái)了3D打印的爆發(fā)。例如，北京航空航天大學(xué)利用3D打印技術(shù)制作飛機(jī)鈦合金起落架等關(guān)鍵構(gòu)件；清華大學(xué)創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)結(jié)合3D打印機(jī)和食品制造，推出煎餅打印機(jī)一度受到社會(huì)各界追捧；成都高新科技區(qū)首創(chuàng)3D生物血管打印機(jī)，使人體器官再造稱為可能；太爾時(shí)代，弘瑞等國(guó)內(nèi)3D打印機(jī)制造公司不斷普及工業(yè)級(jí)、桌面級(jí)3D打印機(jī)；樂(lè)軒銳藍(lán)、創(chuàng)必得等公司也在逐步推廣國(guó)產(chǎn)主板以及發(fā)展國(guó)產(chǎn)核心技術(shù)。數(shù)十年來(lái)，3D打印技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越為人們熟知，越來(lái)越多的行業(yè)開(kāi)始使用3D打印技術(shù)替換原有制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的變革。

1.2 3D打印技術(shù)分類

雖然3D打印一直被認(rèn)為是增材制造的一種方式，隨著數(shù)十年來(lái)科技的不斷發(fā)展，一些新型3D打印技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其中主要包括：

熔融沉積法（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）：利用高溫將材料融化為液態(tài)，通過(guò)擠出頭擠出以后，液體會(huì)迅速發(fā)生固化，然后逐層堆積，在立體空間上排列形成三維的物體。但是FDM方法把三維模型分成數(shù)層，然后逐層打印，從而導(dǎo)致打印效率低，耗時(shí)長(zhǎng)，精度和每一層的厚度相關(guān)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是成型的物體硬度高，打印尺寸可以調(diào)整，容易打印較大尺寸的物體。

光固化成型法（Stereo Lithography Apparatus， SLA）：利用激光照射液態(tài)光敏樹(shù)脂，固化分層從而制作三維物體。該方法大面積被3D System，EOS，西安交通大學(xué)和華中科技大學(xué)等使用。該方法速度很快，成型精度高，對(duì)于材料的利用率也很高，但是成型的物體比較柔軟，柔性高。

選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering， SLS）：該技術(shù)和SLA光固化類似，借助激光將物體固化為三維的整體。SLS使用紅外激光束，在電腦的控制下通過(guò)3D掃描器對(duì)每層的二維數(shù)據(jù)掃描固化。激光掃描過(guò)的粉末燒結(jié)成一定厚度的固體，而其余未被掃描的地方依然保持粉末狀，因此該方法被叫做選擇性激光燒結(jié)。

數(shù)字光處理（Digital Light Processing， DLP）：該技術(shù)和SLA類似，其區(qū)別在于通過(guò)數(shù)字光源將光敏樹(shù)脂進(jìn)行固化，SLS方法中通過(guò)激光對(duì)粉末燒結(jié)形成固體，而DLP方法每次對(duì)整片區(qū)域掃描形成固體。該方法精度高，打印速度快，但是成型尺寸受到數(shù)字光源參數(shù)影響，因此一般情況下成型尺寸較FDM打印機(jī)小。

1.3 玻璃3D打印

玻璃工藝是我國(guó)傳統(tǒng)文化中的一個(gè)重要標(biāo)志，通過(guò)手工將玻璃原料或玻璃半成品加工而成的具有藝術(shù)價(jià)值的產(chǎn)品。這個(gè)過(guò)程充分體現(xiàn)了人類的創(chuàng)造性和藝術(shù)性，它來(lái)源于生活，卻高于生活。玻璃是已知的最為古老的材料之一。4500年以前，美索不達(dá)米亞發(fā)明玻璃制造技術(shù)，主要用于制造玻璃珠等飾品；公元前1500年，埃及人制造出玻璃容器；公元前一世紀(jì)，敘利亞出現(xiàn)玻璃吹制技術(shù)；隨后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累，19世紀(jì)中葉，蓄熱室池爐用于玻璃熔制，用壓-吹法制造大口瓶；進(jìn)入20世紀(jì)，玻璃工業(yè)已經(jīng)達(dá)到機(jī)械化和自動(dòng)化的程度。如今，玻璃工藝品也越來(lái)越受到人們的追捧，它為普通人家里的裝飾提升了品位與藝術(shù)感，在國(guó)內(nèi)外都有巨大的消費(fèi)市場(chǎng)。

3D打印技術(shù)通過(guò)材料堆積把三維模型變?yōu)閷?shí)體，能有效地克服我們工業(yè)設(shè)計(jì)能力薄弱的問(wèn)題，在提升我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品開(kāi)發(fā)水平的同時(shí)有助于攻克技術(shù)難關(guān)，形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。我們考慮通過(guò)引入3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)玻璃3D打印，讓藝術(shù)創(chuàng)造者充分發(fā)揮他們的創(chuàng)造力，同時(shí)可以提高玻璃品的生產(chǎn)效率，降低玻璃品的創(chuàng)新成本。玻璃3D打印技術(shù)具有成型速度快，可打印復(fù)雜部件，個(gè)性化產(chǎn)品成本低等優(yōu)點(diǎn)，將來(lái)可用于制備光纖連接器用的玻璃插針、電子玻璃器件等，是中華五千年文化與現(xiàn)代數(shù)字化制造技術(shù)的完美結(jié)合。把3D打印技術(shù)引入到傳統(tǒng)的玻璃工藝中，有利于產(chǎn)品創(chuàng)新和提高生產(chǎn)率，令玻璃品行業(yè)有顛覆性的突破，提高中國(guó)在全球3D打印的地位，有利于擴(kuò)大我國(guó)科技的對(duì)外影響力。

雖然3D打印技術(shù)愈發(fā)成熟，玻璃3D打印卻并未受到廣泛關(guān)注，這是因?yàn)椴ＡТ蛴‰y度大，該材質(zhì)和傳統(tǒng)的塑料、樹(shù)脂等材質(zhì)不同，玻璃液體固化成型需要經(jīng)過(guò)保溫退火等步驟，而在該過(guò)程中如果溫度控制不當(dāng)?shù)?，?huì)發(fā)生玻璃炸裂等，從而降低玻璃成型效率。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于玻璃3D打印的研究較少，據(jù)我們所知，目前主要包括：玻璃粉激光燒結(jié)，主要原理同金屬激光燒結(jié)技術(shù)相同，即是通過(guò)激光快速燒熔玻璃粉，使其粘接成型；玻璃絲燒熔堆積，其主要原理是用高溫噴槍融化玻璃絲，由3D打印機(jī)控制玻璃絲，堆積成型；目前最新的技術(shù)是在2015年8月由MIT glass lab和Mediated Matter 聯(lián)合公布的G3DP 項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)玻璃熔絲冷凝堆積方式透明玻璃3D打印，其打印原理是將融化的玻璃液通過(guò)打印頭流入打印機(jī)機(jī)體的退火爐內(nèi)，玻璃溶液在退火爐內(nèi)冷凝堆積， 3D打印機(jī)控制打印頭，打印出不同形狀的玻璃制品。本文基于傳統(tǒng)FDM技術(shù)，提出一種新型玻璃3D打印技術(shù)，并完成玻璃3D打印機(jī)原型。

2 玻璃3D打印設(shè)計(jì)方案

2.1 玻璃3D打印難點(diǎn)

和傳統(tǒng)的3D打印不同，玻璃3D打印從材質(zhì)到成型過(guò)程等均有很大的難度和挑戰(zhàn)，其中包括：

（1）傳統(tǒng)3D打印的材質(zhì)是聚乳酸（PLA），ABS樹(shù)脂等塑料材質(zhì)，或者用于激光打印的粉末材質(zhì)等，而玻璃3D打印中使用玻璃原料時(shí)，玻璃的熔點(diǎn)（約1000度）較塑料材質(zhì)（約200度）高很多；而使用玻璃粉末會(huì)導(dǎo)致打印的物體顆粒感強(qiáng)，不均勻；

（2）玻璃打印中溫度控制難度大。玻璃液體存儲(chǔ)于溫度高于1000度的容器中，經(jīng)過(guò)打印頭后，玻璃液體需要固話成型，而為了防止玻璃碎裂，一般而言需要將成型物體放置于退火爐中，控制溫度480度左右，如何在自動(dòng)化打印成型過(guò)程中控制玻璃溫度具有很大的難度；

（3）精確的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是3D打印中一個(gè)比較核心的部分。傳統(tǒng)的3D打印也需要運(yùn)動(dòng)控制，而在玻璃3D打印中，玻璃制品對(duì)于精度的要求也很高，否則會(huì)出現(xiàn)尖角或者不均勻棱角。因此，實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制也是玻璃3D打印中一個(gè)較大難題。

2.2 玻璃3D打印方案

本文基于FDM和熔絲冷凝，提出一種新型玻璃3D打印方案，設(shè)計(jì)原理如下：

整機(jī)由三個(gè)主要部分構(gòu)成：

2.2.1 笛卡爾結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌

我們?cè)O(shè)計(jì)使用笛卡爾結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌承載玻璃制品，是因?yàn)榈芽柦Y(jié)構(gòu)導(dǎo)軌控制精度高，和計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床（Computer Numerical Control， CNC）類似，笛卡爾結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌可以承擔(dān)重量較大的用于融化玻璃的坩堝爐及用于玻璃制品退火成型的冷卻平臺(tái)。和傳統(tǒng)的FDM 3D打印機(jī)不同，我們需要使用高溫熔化玻璃，F(xiàn)DM 3D打印機(jī)可以使用線圈逐段融化，而玻璃只能放在坩堝爐中，使得整體結(jié)構(gòu)需要較大承重。

2.2.2 玻璃熔爐

如圖1所示，玻璃液體存儲(chǔ)在坩堝爐D內(nèi)，坩堝爐主要用于高溫熔化玻璃，并在非打印時(shí)存儲(chǔ)玻璃液體；

2.2.3 冷卻平臺(tái)及退火爐

在玻璃液體經(jīng)過(guò)擠出頭固化時(shí)，需要有冷卻平臺(tái)將玻璃液體降溫從而實(shí)現(xiàn)固化。同時(shí)，也需要對(duì)成型的物體進(jìn)行退火保溫，防止玻璃的碎裂。

其主要工作原理如下：

玻璃原料放置在坩堝爐D中，通過(guò)高頻線圈E可以實(shí)現(xiàn)快速加熱，融化玻璃。為了排除玻璃雜質(zhì)及其他空氣，通過(guò)攪拌棒G不斷攪拌，排除氣泡。玻璃液體通過(guò)助推空氣F，使得玻璃液體從液熔噴嘴C中流出，并在冷凝空氣A和高頻線圈B的作用下對(duì)玻璃液體降溫，并在冷卻平臺(tái)H上實(shí)現(xiàn)退火，形成玻璃制品。

2.3 技術(shù)方案特點(diǎn)

本文所提出的玻璃3D打印技術(shù)方案有以下特點(diǎn)：

（1）通過(guò)加熱線圈可以快速實(shí)現(xiàn)玻璃的融化，并且恒溫存儲(chǔ)玻璃液體。玻璃加熱融化需要一定的時(shí)間周期，我們?cè)O(shè)計(jì)的技術(shù)方案可以在需要打印的時(shí)候及時(shí)擠出玻璃液體，提高工作效率；

（2）控制速度靈敏，通過(guò)存儲(chǔ)高溫玻璃液體的方式可以在很短時(shí)間內(nèi)擠出玻璃液體，進(jìn)行打印工作；

（3）支持各種情況下的玻璃制品打印，保證玻璃制品美觀，而其他幾種方式很難支持連貫造型的玻璃制品打印。

3 總結(jié)與展望

本文提出一種新型玻璃3D打印技術(shù)方案，主要基于傳統(tǒng)3D打印技術(shù)熔絲堆積（FDM），將玻璃原料放入坩堝爐內(nèi)，使用高頻線圈加熱等方案將玻璃原料融化為液體；然后利用惰性氣體擠出玻璃液體到冷卻平臺(tái)，采用逐層堆積的方式形成物體；并通過(guò)退火爐實(shí)現(xiàn)退火降溫，最終打印成型的玻璃制品。該方案和現(xiàn)有的玻璃3D打印方案相比，速度快，精度高，能實(shí)現(xiàn)更好的打印效果。

玻璃3D打印是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，我們會(huì)在玻璃3D打印原型機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)，設(shè)計(jì)適合工業(yè)化生產(chǎn)的玻璃3D打印機(jī)，推廣到玻璃制造行業(yè)，提升玻璃制造效率和成品率，促進(jìn)整個(gè)玻璃行業(yè)的快速發(fā)展。

（通訊作者：王躍宣）

參考文獻(xiàn)

[1]Hideo Kodama.A Scheme for Three-Dimension Display by Automatic Fabrication of Three-Dimensional Model.IEICE TRANSACTION on Electronics，vol.J64-C，No.4，pp. 237-241，April，1981.

[2]Charles W.Hull.Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. Patent，US4575330A.

[3]Chee Kai Chua，Kan Fai Leong， Chu Sing Lim.Rapid Prototyping. World Scientific.2003：124.ISBN 9789812381170.

[4]R.Jones，P.Haufe，E.Sells，P.Iravani，V.Oliver，C.Palmer，A.Bowyer.Reprap-the replicating rapid prototype. Robotica，29（01），177-191，2011.

[5]Guy Rundle.A revolution in the marketing.Affirm press.2014.IBSN 9781922213303.

[6]Ben Wittbrodt，Joshua M.Pearce.The effect of PLA color on material properties of 3D printed components. Addictive Manufacturing.2015-10-01， 8：110-116.

[7]Ian Gibson， Paulo Jorge Bartolo. History of stereolithography. stereolithography：Materials， Processes，and Applications，41-44， 2011.

[8]Chuck Hull.On stereolithography. Virtual and Physical Prototyping， Vol 7，2012.

[9]C.Deckard.Method and apparatus for producing parts by selective sintering.Patent，US4863538，1989.

[10]Alex Lou，Carol Grosvenor.Selective laser sintering， birth of and industry.The University of Texas， 2012.

[11]Envision Tec.Technology overview DLP process.http：//envisiontec.com/technology-overview，2013.

[12]Arif Sirinterlikci，Keith G.Morgan， Christopher Steven Kremer，Bruce Allen Barnes.A capstone project on design and development of a Digital Light Processing 3D printer. 122nd ASEE Annual Conference & Exposition， 2015.

[13]G.Marchelli，R.Prabhakar，D.Storti， M.Ganter.The guide to glass 3D printing：developments，methods， diagnostics and results.Rapid Prototype Journal，17（03）：187-194， 2011.

[14]M.Fateri，M.Khosravi.On-site additive manufacturing by selective laser melting of composite objects. Concepts Approach Mars Explor.2012.

[15]S.Klein， S.Simske，C.Parraman，et al.3D printing of transparent glass. HP Tech Rep.2012.

[16]Micron E.M.E.Ltd.Breakthrough in 3D printing glass.http：//micron-eme.com/blogs/news/34473924-breakthrough-in-3d-printing-glass， 2015.

[17]John Klein，Michael Stern，Giorgia Franchin，Markus Kayser，Chikara Inamura，Shreya Dave，James C. Weaver，Peter Houk， Paolo Colombo， Maria Yang，Neri Oxman.Additive manufacturing of optically transparent glass.3D Printing and Additive Manufacturing.2（03）：92-105， 2015.

作者簡(jiǎn)介

顧釗銓（1989-），男，博士學(xué)位?，F(xiàn)為香港大學(xué)博士后。主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)和分布式計(jì)算等。

通訊作者簡(jiǎn)介

王躍宣（1975-），女，博士學(xué)位。現(xiàn)為浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授。主要研究領(lǐng)域?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)科學(xué)、量子網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)科學(xué)等。

作者單位

1.香港大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 香港特別行政區(qū) 999077

2.中國(guó)美術(shù)學(xué)院 浙江省杭州市 310002

3.北京樂(lè)軒銳藍(lán)科技有限公司 北京市 100085

4.浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 浙江省杭州市 310058