用3D打印技術造一座“玻璃宮”

文／Mia

用3D打印技術造一座“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，復雜的結構往往需要手工制作——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（一種腐蝕性極強的化學試劑）或是激光進行表面刻蝕，操作有風險不說，成本也非常高昂。光學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小。原因在于，3D打印技術的原理，是“逐層堆疊”出設計好的三維物體。3D打印依靠的是數字建模工具，從簡單配件到人體器官，不管結構多復雜，用3D建模軟件建個模型，告訴機器怎么操作，剩下的就是等著機器一層一層地用材料堆出想要的產品。3D打印技術能用高分子材料加工出高精度、高分辨率、結構復雜的產品，但加工玻璃和陶瓷材料則一直是難點。原因主要在于，加工玻璃和陶瓷需要的溫度極高，噴出來以后固化速度又極快，固化速度難以控制，這就很容易會在玻璃中產生一些缺陷和氣泡，難以精確控制。

雖然困難，但是科學家們還是做了一些嘗試。比如在上千度的高溫下，把液態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，把玻璃纖維連續不斷地送到激光束下，激光點按照物體的形狀移動，熔化的玻璃纖維，也就在激光點走過的路徑上逐漸凝固、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打印技術對于玻璃加工還是有極大的吸引力。為什么呢？因為3D打印玻璃不僅更加安全，而且，它的分辨率可能比傳統工藝更高。

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

德國的科學家科茲（F. Kotz）等人剛剛發表在《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，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順。玻璃的原料是石英砂，在常溫下是固態的，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。分散的問題解決了，還要解決成型的問題。他們把一種光固化高分子材料和二氧化硅顆粒進行復合。這種材料我們在補牙的時候也能見到，平時是液態，只要遇到紫外光照射，小分子們就會拉起手來，形成一張大網，變成堅硬的固態。加入了這種材料，二氧化硅就被固定在網里，不會到處亂跑啦。室溫下把這種“液體原料”倒進模板，然后在紫外光的照射下，模板中的材料會發生交聯、固化，從液體變成固體。脫模后，經過燒結就成了玻璃。簡單地說，這種工藝制作出來的玻璃已經不再是過去的簡單硅酸鹽玻璃，而是高分子材料和硅酸鹽“聯手”形成的、具有玻璃特性的新材料。

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

這個問題的關鍵，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，穩定尺寸；另一方面，這張高分子“大網”的結點要盡量增多，這樣才能牢牢地網住二氧化硅小球。于是，科茲不斷地調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；燒結出的成品尺寸更穩定；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3D模型，就能在常溫下打印出坯料。雖說燒結還需要高溫，但復雜的結構加工已經基本完成了。據說，這種工藝做出來的產品精度和分辨率直逼傳統工業的最高水平，粗糙度只有幾個納米，耐熱性能好，面對800度火焰絲毫不懼，光學性能更是優異，可以用作精密儀器上的光學器件。玻璃本身具有優越的耐磨性和化學穩定性，加上高精度的技能點，也許還能用于醫療領域。