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    柔美与硬朗 玻璃3D打印的独特气质

    2018-12-29来源:3D帝国网

      3D打印构建的智能制造产业链中,建模、耗材、打印设备以及相关配套服务缺一不可,共同支撑增材制造这一创新成型制造工艺的实现。尤其是材料,是3D打印成型的基础,甚至直接决定着打印件的质量和性能。

      目前,可用于3D打印的材料约有200余种,通常对于耐热性、灵活性、稳定性以及敏感性有着极高的要求,均是专门针对3D打印设备和工艺而研发。也许你认为3D打印材料都是远离生活、寻常人知之甚少的树脂或金属粉末的话,那就错了,生活中常见的材料也有可能是3D打印材料的组成部分,比如玻璃。

      玻璃是日常生活中的一种常见的材料,价格低廉、用途广泛,不仅可以用在建筑上,还可以用在家装、工艺品制造等方面。随着现代科技水平的迅速提高和应用技术的日新月异,尤其是与计算机技术、材料技术、设计学的完美结合,使玻璃制造技艺达到有史以来的新高度。

      玻璃的由来

      世界上公认最早的玻璃制造者为古埃及人。玻璃的出现与使用在人类的生活中已有四千多年的历史,在4000年前的美索不达米亚和古埃及的遗迹里,都曾有小玻璃珠的出土。公元12世纪,出现了商品玻璃,并开始成为工业材料。18世纪,为适应制造望远镜的需要,出现了光学玻璃。1874年,比利时首先制出平板玻璃。1906年,美国制出平板玻璃引上机,此后,随着玻璃生产的工业化和规模化,各种用途和各种性能的玻璃相继问世。现在,玻璃已成为日常生活、生产和科学技术领域的重要材料。

      传统的玻璃制造工艺包括塑模、成型、吹制、电镀或烧结等工序,最后的产品质量与制造技术水平密切相关。从古埃及发现制造玻璃珠的成型工艺,经过罗马时代发明的金属管吹制工艺,到现代能造出大尺寸平板玻璃的皮尔金顿浮法工艺,玻璃制造技术上的每一次新突破都是长期实验和创新的结果。

      3D打印革新玻璃制造工艺

      其实,基于玻璃的硬度、光学品质、经济性和可用性等因素,玻璃材质在3D打印领域有着非常独特的潜在价值。

      3D打印玻璃的出现可以回溯到2009年左右,以色列Micron3DP的玻璃3D打印技术属于熔融挤出3D打印技术。通过反复试验,Micron3DP终于在把材料温度提升至850摄氏度之后,成功地进行了玻璃的3D打印。而为了3D打印硼硅玻璃,这种玻璃通常会被用于制造更加耐用的器皿,比如在科学实验室中使用的那些玻璃器皿,Micron3DP能够把该材料的熔化温度提升至1640摄氏度。并能够打印两种类型的玻璃材料:钠钙和硼硅酸盐。Micron3DP希望在未来开发更多的玻璃材料。这种熔融挤出的玻璃3D打印速度快,能够生产出非常高分辨率的产品。

      接下来不断有3D打印玻璃的技术出现。2016年,德国Fraunhofer陶瓷技术和IKTS 系统研究所研发了一项3D打印新技术,可以打印微反应器这样非常复杂、微小部件。金属、玻璃或陶瓷粉末材料被均匀的混合在粘合剂中。粘度也是精确控制,混入的粉末材料既不能太“稀”也不能太“稠”,这样打印机才能进行流畅的打印。Fraunhofer研究所研发的这项3D打印技术可打印的材料是陶瓷、玻璃或金属粉末悬浮液。陶瓷、玻璃或金属粉末被混合在一种低熔点的热塑性粘合剂中,热塑性粘合剂在80摄氏度时就会融化成为液体。在打印过程中,打印机的电性温度熔化了粘合剂,并混合着陶瓷、玻璃或金属粉末材料以液滴的形式被沉积下来。沉积后液滴迅速冷却变硬,三维对象就这样被点对点逐渐打印出来。

      2017年,劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)位于加利福尼亚的研究人员创造了一系列定制玻璃油墨,并且他们已经解决了那些导致多孔或非均匀结构的问题。

      玻璃3D打印如何成型?

      玻璃3D打印与其他类型3D打印工作原理如出一辙。不同之处在于材料的选择。目前在玻璃3D打印领域颇具前景的成型工艺包括G3DP技术和六轴玻璃打印。

      G3DP是一种融合了当今尖端科技与传统玻璃制造工艺的全新技术,能够创建出非常复杂的3D打印玻璃结构。它的工作原理其实非常简单:首先,机器顶部的烧窑会以1900℉的高温将放入其中的玻璃融化。然后,熔融态的玻璃会通过漏斗流进下方以氧化铝-锆-二氧化硅制成的类似FDM型3D打印机的喷嘴,再被堆积到构建台上,最后逐步冷却成型。期间如果想要停止打印,只需利用压缩空气降低喷嘴的温度即可。

      配置方面,G3DP打印机采用了80/20铝材和方钢管制成的框架,极为坚固耐用。运动系统上,它安装有3台独立的步进电机和丝杠门系统。至于控制系统,则是采用了1块Arduino板和一块RAMPS 1.4 Arduino Shield。总的看来,它的机械系统与目前常见的笛卡尔式桌面级3D打印机非常类似。

      相对而言,六轴玻璃打印系统虽然有些粗糙和简陋,但却十分有趣。它采用的方式是将熔融状态的玻璃置于上方的耐高温坩埚中,任由其在重力作用下流出,然后通过算法控制机械臂,令其以设定好的模式移动构建台,最后得到特定形状的玻璃制品,而其它工艺采用的方式大多是上方的机械式挤出机负责挤出熔融态玻璃,下方的构建台固定。

      玻璃3D打印创新应用

      得益于玻璃3D打印技术的迅速发展,越来越多的玻璃生产企业开始将目光转向这一前沿科技,科学家们对于玻璃3D打印应用的设想也变得越来越不可思议。

      Glaston公司致力于生产用于建筑、家电、太阳能和汽车等领域的“世界上最好的热处理玻璃”,并提供相关技术和服务支持。该公司决定为3D打印玻璃设立相应项目以实现业务扩张。

      为了展示3D打印玻璃的能力,他们在米兰举办的Vitrum玻璃博览会上展示一个“最新的热处理生产线的3D打印缩微模型”。玻璃钢化是一个过程,玻璃板在一个有着大工业规模的炉式机器中加热,然后迅速冷却,从而产生增强后的玻璃制品。Glaston的新的热处理生产线“ Glaston FC1000 ”延续了“FC500”处理线的优点,能3D打印出平滑、无暇的光学玻璃。另外,该机器在能源效率、低辐射以及玻璃热处理容量方面的性能也得到了显著增长。

      玻璃3D打印同样具备3D打印技术的诸多优势,没有模具、形状限制,解放设计者思想,任何创意想法都有可能从虚拟变成现实。

      俄罗斯两位科学家致力于用玻璃3D打印建筑。他们表示,比起常用的建筑材料混凝土,玻璃其实更加实用和灵活,特别是用于3D打印时,因为熔融后具有很高的粘度,不像混凝土,必需混合某些额外的纤维或化学物质才能在层层挤出时保证足够的层间粘连性。而且,玻璃在熔融挤出成型后的固化速度非常快,密度也可以灵活掌控(最高可达4000千克/立方米),还可以具有良好的表面结构、光反射性和导热性。除此之外,玻璃还有许多其它优点,比如环保,容易大量生产(能耗低),价格便宜,泛用性强,耐腐蚀,维护成本低廉等。据两位科学家透露,他们已经造出了这种玻璃3D打印机的原型,并且配备有一个30升的熔炉。目前,他们正计划与一家公司合作进行打印墙壁的实际测试。

      3D打印玻璃可以用于艺术品加工制作,瑞典的一个陶艺家Jonathan Keep与艺术研究员Charles Stern开始了一个项目,即利用3D打印技术将陶瓷与玻璃结合吹制。单看成品大家可能觉得很简单,其实这两种传统工艺是很难结合的,因为在加热的状态下,粘土和玻璃具有不同的收缩和膨胀率。Jonathan Keep与Charles Stern针对这个问题同许多专家展开调查,最终才确定了方案,利用3D打印技术打印陶瓷,然后与玻璃进行吹制。3D打印技术的应用不仅仅是让艺术更具创新时尚,更是可以用来克服传统工艺所遇到的问题。

      结束语:经历高温淬火的洗礼,3D打印的特定成型过程,后期冷却处理,玻璃实现了由柔美到硬朗的华丽涅槃。作为新型3D打印材料,玻璃的独特属性决定着其在艺术设计、工艺品加工乃至生活日用品中将有广泛应用。随着技术的日臻成熟完善,3D打印与玻璃的结合,将带来更具个性化与时尚美感的玻璃制品。

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