用3D打印技術(shù)造一座“玻璃宮”

文／Mia

用3D打印技術(shù)造一座“玻璃宮”

文／Mia

玻璃，可能是人類歷史上最重要，也是最美麗的材料之一。從教堂的玻璃窗，到施華洛世奇，都閃耀著迷人的玻璃光芒。

玻璃制品很美，加工起來(lái)卻很難。首先，需要高溫。加工常見的鈉鈣玻璃就需要800攝氏度—1000攝氏度；加工石英玻璃、鋼化玻璃這些特種玻璃還需要更高的溫度。其次，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)往往需要手工制作——效率低，精度也難以控制。精密儀器里的玻璃要求就更高了。精密的表面圖案往往需要用到氫氟酸（一種腐蝕性極強(qiáng)的化學(xué)試劑）或是激光進(jìn)行表面刻蝕，操作有風(fēng)險(xiǎn)不說(shuō)，成本也非常高昂。光學(xué)儀器上采用的玻璃部件，比如透鏡，則需要玻璃有極高的透明度和凈度。別看日常生活中的玻璃貌似很透明，但里面還是會(huì)殘留少許金屬離子，造成偏色。想提高玻璃的透明度，就需要提高原料的純度。盡可能地去除原料里帶顏色的離子，比如鐵、鈷、錳什么的。

“3D打印玻璃”屢屢被人們提及，卻一直是雷聲大雨點(diǎn)小。原因在于，3D打印技術(shù)的原理，是“逐層堆疊”出設(shè)計(jì)好的三維物體。3D打印依靠的是數(shù)字建模工具，從簡(jiǎn)單配件到人體器官，不管結(jié)構(gòu)多復(fù)雜，用3D建模軟件建個(gè)模型，告訴機(jī)器怎么操作，剩下的就是等著機(jī)器一層一層地用材料堆出想要的產(chǎn)品。3D打印技術(shù)能用高分子材料加工出高精度、高分辨率、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，但加工玻璃和陶瓷材料則一直是難點(diǎn)。原因主要在于，加工玻璃和陶瓷需要的溫度極高，噴出來(lái)以后固化速度又極快，固化速度難以控制，這就很容易會(huì)在玻璃中產(chǎn)生一些缺陷和氣泡，難以精確控制。

雖然困難，但是科學(xué)家們還是做了一些嘗試。比如在上千度的高溫下，把液態(tài)的玻璃從容器中逐漸擠出，擠出后玻璃遇冷凝固，堆疊出想要的形狀；或者，把玻璃纖維連續(xù)不斷地送到激光束下，激光點(diǎn)按照物體的形狀移動(dòng)，熔化的玻璃纖維，也就在激光點(diǎn)走過(guò)的路徑上逐漸凝固、成型。然而這兩種方法做出的玻璃粗糙度仍然很大，透明度也不好。

即使效果不甚理想，3D打印技術(shù)對(duì)于玻璃加工還是有極大的吸引力。為什么呢？因?yàn)?D打印玻璃不僅更加安全，而且，它的分辨率可能比傳統(tǒng)工藝更高。

什么是分辨率？3D打印機(jī)的分辨率和普通打印機(jī)、手機(jī)屏幕的分辨率概念類似，就是“打印平面上最小單元的尺寸”。從打印機(jī)噴嘴里噴出的最小的3D小球的直徑，決定著這臺(tái)3D打印機(jī)能夠達(dá)到的最大分辨率。能噴出的小球越小，打印機(jī)“堆”出來(lái)的產(chǎn)品也就越精細(xì)。3D打印和傳統(tǒng)工藝的不同還在于，3D打印可以很方便地結(jié)合精確到納米的模板，加工的精度自然也就提高了。

德國(guó)的科學(xué)家科茲（F. Kotz）等人剛剛發(fā)表在《自然》雜志上的論文，就向世界展示了一種用常見的光固化成型（Stereolithography，SLA）3D打印技術(shù)，制作高透明度、高精度的玻璃制品的工藝方法。

科茲掌握這門手藝也并非一帆風(fēng)順。玻璃的原料是石英砂，在常溫下是固態(tài)的，在上千度的高溫下才能熔化，顯然不適合常溫加工。使用納米材料看上去是可行的方法——納米級(jí)的二氧化硅顆粒也可以提供硅，它很容易合成，也很容易分散在溶液里。分散的問(wèn)題解決了，還要解決成型的問(wèn)題。他們把一種光固化高分子材料和二氧化硅顆粒進(jìn)行復(fù)合。這種材料我們?cè)谘a(bǔ)牙的時(shí)候也能見到，平時(shí)是液態(tài)，只要遇到紫外光照射，小分子們就會(huì)拉起手來(lái)，形成一張大網(wǎng)，變成堅(jiān)硬的固態(tài)。加入了這種材料，二氧化硅就被固定在網(wǎng)里，不會(huì)到處亂跑啦。室溫下把這種“液體原料”倒進(jìn)模板，然后在紫外光的照射下，模板中的材料會(huì)發(fā)生交聯(lián)、固化，從液體變成固體。脫模后，經(jīng)過(guò)燒結(jié)就成了玻璃。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種工藝制作出來(lái)的玻璃已經(jīng)不再是過(guò)去的簡(jiǎn)單硅酸鹽玻璃，而是高分子材料和硅酸鹽“聯(lián)手”形成的、具有玻璃特性的新材料。

這個(gè)想法雖好，但這樣簡(jiǎn)單混合兩種物質(zhì)，卻很難做出什么“正經(jīng)玻璃”：首先，精度還是不夠高。由于混進(jìn)了高聚物，材料在模板上定型的時(shí)候是一個(gè)尺寸，燒完了又會(huì)變成另一個(gè)尺寸。不僅XY方向的分辨率控制不住，Z方向的高度在燒結(jié)了以后也容易放飛自我。其次，光學(xué)性能也不夠好——原材料里有聚合物，很容易結(jié)晶，一旦結(jié)晶，透光性就不好了。

這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵，在于加入的高分子材料。一方面，高分子材料的總量要盡量減少，這能夠降低溶液黏度，提高透明度，穩(wěn)定尺寸；另一方面，這張高分子“大網(wǎng)”的結(jié)點(diǎn)要盡量增多，這樣才能牢牢地網(wǎng)住二氧化硅小球。于是，科茲不斷地調(diào)整聚合物單體和玻璃原料的成分和配比，終于得到了理想的材料。溶液黏度變得更小，容易加工；燒結(jié)出的成品尺寸更穩(wěn)定；透光率也從開始的4%提高到了66%。

不止這樣，少女心的研究者們還在原料里加入了不同的金屬鹽，做出了彩色的玻璃。

這種3D打印制造玻璃器件的方法，不需要可怕的試劑（氫氟酸），也不用激光刻蝕，只要電腦里有個(gè)3D模型，就能在常溫下打印出坯料。雖說(shuō)燒結(jié)還需要高溫，但復(fù)雜的結(jié)構(gòu)加工已經(jīng)基本完成了。據(jù)說(shuō)，這種工藝做出來(lái)的產(chǎn)品精度和分辨率直逼傳統(tǒng)工業(yè)的最高水平，粗糙度只有幾個(gè)納米，耐熱性能好，面對(duì)800度火焰絲毫不懼，光學(xué)性能更是優(yōu)異，可以用作精密儀器上的光學(xué)器件。玻璃本身具有優(yōu)越的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，加上高精度的技能點(diǎn)，也許還能用于醫(yī)療領(lǐng)域。