美国LLNL国家实验室3D打印定制梯度折射率的玻璃光学元件

|3DScienceValley· 2020/12/21

关于美国LLNL国家实验室3D打印定制梯度折射率的玻璃光学元件，曾在2017年发布的《光学元件的突破，美LLNL研发折射率可定义的梯度玻璃3D打印技术》有过详细介绍，如今，这项成果的论文发表在ScienceAdvances上。这项技术有望应用在军事光学和VR眼镜上。

3D打印梯度折射率玻璃。©LLNL

平面替代曲面

光学加工的研究和发展是走向自由曲面光学元件、光学、可以做几乎任何复杂形状的，美国LLNL国家实验室的研究人员计划通过改变玻璃的成分来尝试3D打印高质量的光学和渐变折射率透镜。一个关键的挑战将是创建梯度折射率的光学原件，这需要更高的对材料的理解和对打印工艺的控制水平。

3D打印梯度折射率玻璃。©LLNL

大多数打印玻璃的其他技术是先熔化玻璃，然后冷却下来，这有可能产生残余应力并导致开裂。而LLNL是在室温下打印，避免了这些问题。

通常来说，FDM和立体3D打印技术不能够完全熔化玻璃问题，导致多孔或非均匀结构。LLNL的研究人员创造了一系列定制玻璃油墨，他们认为他们已经解决了那些导致多孔或非均匀结构的问题。LLNL的方法使得原来需要通过曲面来实现的光学功能直接通过平面玻璃元件就可以实现。

3D打印梯度折射率玻璃。©LLNL

调整二氧化钛的浓度配比

LLNL通过 DIW-墨水直写3D打印技术，配置了两种不同二氧化钛浓度混合的二氧化硅墨水，这些由玻璃颗粒的浓缩悬浮液油墨具有高度控制的流动性能，通过控制两种墨水的相对流速，来调控墨水的梯度成分比例，浓度梯度决定了玻璃的折射率变化。

3D打印梯度折射率玻璃。©LLNL

DIW-墨水直写3D打印技术可以在室温下满足打印需求，这些特殊油墨完成3D打印后可以进行热处理，增强密度并消除打印过程中的其他问题。热处理完成后，研究人员还可以进行光学质量的抛光，使零件更均匀更复合光学性能的要求。

3D打印梯度折射率玻璃。©LLNL

Review

关于玻璃的打印，之前麻省理工学院研究人员已经发明了使用玻璃作为打印材料的3D打印方法，该过程被称为G3DP。G3DP被描述为使用光学透明玻璃用于高度精确3D打印的方法。该过程是可控制，并且可以提供透明度和颜色等打印选项。打印对象的厚度也可以控制，另外还可以控制打印物体的透射，反射和折射等参数。不过当时麻省理工的3D打印并没有实现玻璃材料微观层面的控制，也就是梯度打印。

尽管3D玻璃的打印还处于起步阶段，但一致性的看法是这将改变光学的制造工艺。通过增材制造来创造这种透明的东西是有趣的。以色列的3D打印机Micron3DP就是这一行列的先行者之一，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，公司能够把该材料的熔化温度提升至1640摄氏度。

关于DIW-墨水直写3D打印技术，根据的市场观察，这项技术近几年获得了突飞猛进的进展，国内有包括同济大学等不少高校在进行DIW技术的研究。商业化层面，国内作为西湖大学工学院首个自主科技成果产业转化落地项目，成立于2020年6月的西湖未来智造，是国际上电子3D打印领域专注于微米级精度的三维精密制造技术公司，通过将金属、陶瓷、磁性材料、聚合物等集成处理应用，弥补电子、光学领域精密加工中百纳米至百微米的市场空白。

根据36氪，西湖未来智造的高精度3D直写设备样机已在和国内多家微电子领域企业正在论证中，标准化设备生产周期为5-10个月，可实现0.1-10微米精度的多材料打印，并结合新型嵌入式工艺，实现复杂三维结构打印；多工艺混合3D打印设备生产周期为6-18个月，可实现10-100微米精度融合金属、介质的复杂三维结构打印。

英文论文发表在国际期刊Science Advances

l文章链接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.abc7429

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