據麥姆斯咨詢介紹，美國加州大學伯克利分校（UC Berkeley）的研究人員近日在Science期刊上發表了一項新研究成果：他們開發了一種3D打印玻璃微結構的新方法，該方法速度更快，并能打印具有更高的光學質量、設計靈活性和強度的微結構。
加州大學伯克利分校的研究人員與德國弗萊堡阿爾伯特路德維希大學（Albert Ludwig University of Freiburg）的科學家合作，進一步拓展了他們三年前開發的創新3D打印工藝——計算軸向光刻技術（CAL），打印出更精細的特征尺寸，并能在玻璃中實現3D打印。他們將這一新系統稱為“micro-CAL”。
3D打印的三叉微管模型
玻璃是制造復雜微觀結構的重要材料之一，例如智能手機和內窺鏡中緊湊型高品質相機應用的鏡頭，以及用于分析或處理微量液體的微流控器件。不過，目前的制造方法往往速度慢、成本高，無法滿足行業不斷增長的需求。
CAL工藝與當前其他工業3D打印制造工藝有著本質區別，后者都是通過逐層打印材料來制造各種結構。這類技術通常需要耗費大量的時間，且表面紋理相對較為粗糙。相比之下，CAL工藝可以同時打印整個對象。研究人員使用激光將模式光投射到旋轉的光敏材料體中，形成3D光固化，從而一次性打印出所需要的3D形狀。CAL工藝的非逐層特性使打印表面平滑，并能制造更復雜的幾何形狀。
這項研究在CAL工藝的基礎上實現了再次突破，展示了它在玻璃結構中打印微尺度特征的能力。加州大學伯克利分校首席研究員、機械工程教授Hayden Taylor說：“我們在2019年首次發布了這種CAL方法，當時能夠打印特征尺寸低至三分之一毫米的聚合物。現在，使用micro-CAL工藝，我們可以打印的特征尺寸進一步降低至十萬分之一米量級，即大約為人類頭發寬度的四分之一。并且，我們首次展示了這種方法不僅可以用于聚合物，還可以用于玻璃。”
為了打印玻璃，Taylor和他的研究團隊與來自弗萊堡阿爾伯特路德維希大學的科學家合作，開發了一種特殊的樹脂材料，其中包含由光敏粘合劑包圍的玻璃納米顆粒。首先，來自打印機的數字光投射使粘合劑固化，然后，研究人員加熱打印物件以去除粘合劑，并將顆粒融合到純玻璃的固體結構中。
Taylor說：“其中的關鍵是粘合劑的折射率幾乎與玻璃的折射率相同，因此光通過材料時幾乎沒有散射。CAL印刷工藝和Glassomer公司開發的這種材料完美匹配。”
3D打印六邊形微透鏡陣列
該研究團隊主要作者、Taylor實驗室的博士生Joseph Toombs進行了測試，發現利用CAL工藝打印的玻璃結構的強度一致性更高，比使用傳統逐層打印工藝制造的結構更穩定。Taylor說：“當玻璃結構中的瑕疵或裂紋更多，或者表面粗糙時，它們往往更容易破碎。因此，與其他逐層3D打印工藝相比，CAL工藝能夠使打印的物體表面更平滑，這是一個巨大的潛在優勢。”
CAL 3D打印方法為顯微鏡玻璃制造商提供了一種新的、更高效的制造方法，可以滿足客戶對幾何形狀、尺寸、光學和機械性能等方面的嚴苛要求。具體來說，例如顯微光學組件，它們是小型攝像機、虛擬現實（VR）設備、先進顯微鏡和其他科學儀器的關鍵組件。Taylor說：“能夠更快速的制造這些組件，并使它們具有更大的幾何自由度，有望帶來全新的設備功能，以及更低的成本。”
這項研究由美國國家科學基金會、歐洲研究理事會、卡爾蔡司基金會、德國研究基金會和美國能源部資助。
延伸閱讀：
《3D打印硬件技術和市場-2022版》
《3D打印復合材料技術及市場-2021版》
《3D電子及增材制造電子技術和市場-2022版》
《透明電子材料市場-2021版》
《AR/VR/MR光學元件和顯示器-2020版》
