透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术

南极熊导读:光固化聚合硅树脂,实现透明3D打印玻璃。


透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术


3D打印玻璃非常困难,主要是因为很难在高熔点下保持材料的机械性能。但是,来自法国的三位研究人员在光学学会(OSA)的《光学快报》上发表了一篇研究论文,介绍了他们发明了一种基于激光的复杂玻璃部件3D打印新技术。该团队使用了基于多光子聚合技术的最新开发技术来打印高精度的玻璃物体,而无需依靠常规的3D打印逐层制造,并且认为他们的方法可以用于3D打印复杂的光学器件。未来有望应用在基于激光的成像和视觉领域。

“玻璃是用于制造光学器件的主要材料之一。我们的研究成果只是开发一种工艺的第一步,可能有一天使科学家能够3D打印所需的光学组件,”菲涅尔研究所 和 马赛中央理工学院的研究团队负责人Laurent Gallais说 。
透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术
逐层3D打印对于用玻璃制造物体不是理想的选择。使用粘稠的树脂,很难获得具有一致厚度的层,并且复杂零件通常需要支撑,在打印结束时需要除去,从而使整个零件的制造速度进一步降低。

“大多数3D打印过程都是逐层构建对象的。我们的新工艺通过使用激光束将液态前驱物转化(或聚合)成固态玻璃,避免了这些工艺的局限性。”Gallais解释说。

通过多光子聚合,将液体单体分子连接到固体聚合物中的过程(又名聚合反应)发生在精确的激光焦点上,使得3D打印尺寸小至数十毫米小而精确的零件成为可能,分辨率很高。但是,它仍然有些复杂。
透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术
当使用这种方法对玻璃进行3D打印时,特定材料在初始液相期间以及在完全聚合后,在特定的激光波长下必须要保持是透明的。另外,它需要吸收来自激光器的波长一半的光能量来引发多光子聚合。因此,该团队使用了一种与光化学引发剂的混合物来吸收光:大量的二氧化硅纳米颗粒和一种树脂。

研究论文摘要指出:“引入了一种基于激光的工艺,依靠多光子诱导的聚合反应来生产复杂的三维(3D)玻璃部件。聚焦的强激光束用于通过非线性吸收过程在激光束的波长下聚合负载有添加剂和二氧化硅纳米粒子的透明树脂。直接在容器中创建对象,克服了逐层过程的限制。该方法能够通过连续的脱脂和烧结过程生产二氧化硅零件。利用整体二氧化硅的密度和取决于激光光斑尺寸的分辨率,可以得到厘米级的3D对象。”

△视频:3D打印透明玻璃


研究团队的高粘度混合物不仅可以与激光一起使用,而且还可以3D打印零件而不会出现变形问题或使用支撑结构。

“这项技术的关键是基于Strickland的高功率超短激光器和穆鲁的chi脉冲放大技术,它在2018年获得了诺贝尔奖。只有足够强和非常短的脉冲才能产生高精度且无热效应的非线性光聚合。”。

未来,研究工作还包括通过使用更便宜的激光器来降低成本,从而让这项技术变得更加实用。Gallais说:“我们的方法可能会被用于生产各种各样3D玻璃物体。例如,我们正在探索生产可用于豪华手表或香水瓶玻璃部件的可能性。”还希望通过其技术提高3D打印的玻璃零件的表面质量,减少零件的粗糙度。


参考资料:
论文:T. Doualle, J.-C. Andre, L. Gallais, “3D-printing of silica glass through multiphoton polymerization process,” Opt. Lett., 46, 2, 364-367 (2021).
DOI:
https://doi.org/10.1364/OL.414848


其实,南极熊了解到,已经有其他的透明光学3D打印技术实现商业化。


已造5万个3D打印眼镜镜片,Luxexcel开始商业化



2020年12月4日,南极熊获悉,3D打印眼镜片专家Luxexcel透露,他们现在已经制造了超过50,000个处方镜片。

透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术


这个数字代表了公司的一个重要里程碑,证明了他们专有VisionPlatform技术的稳定性和可扩展性。据Luxexcel首席执行官Fabio Esposito称,这一成就也反映了公司满足传统和智能眼镜客户个性化需求的能力。

透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术

△镜片打印完取出的过程


Esposito说:"我们的VisionPlatforms为客户提供了3D打印镜片的能力,我们现在已经实现了量产,在我们的平台上生产3D打印镜片取得指数级增长,是一个里程碑,客户能够将处方眼镜与智能技术相结合。"

Luxexcel成立于2009年,总部位于荷兰,专注于使用专有的硬件、软件和材料进行3D打印处方镜片。这家公司的工艺基于 "视觉引擎",工作原理是将VisionClear树脂喷射到构建板上,然后在紫外光下进行光固化。

透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术

△Luxexcel打印眼镜片的设备


Luxexcel的技术能够直接打印在玻璃或聚合物上,使镜片与镜架兼容,并能满足日常用户的需求。他们的镜片也是可定制的,使采用者能够在镜框层之间添加薄膜或LCD屏幕,赋予其AR能力。

透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术


Luxexcel已经获得了大量的资金支持来开发3D打印眼镜,包括在2017年获得1470万美元的现金注入,并在2018年进一步获得1390万美元的投资。利用这些资金,Luxexcel稳步提升了生产能力,在2019年2月达到了每年5000次打印的里程碑。

自那时起,Luxexcel进一步扩展到智能眼镜市场,并对领导团队进行了改造。公司现在的目标是引领 "时尚智能眼镜 "运动,为用户提供兼具高科技功能和视力矫正功能的眼镜。

透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术


透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术

△智能眼镜


3D打印眼镜新征程

在达到50,000个的里程碑后,Luxexcel已经表明他们的3D打印技术不仅可以定制,而且还能进行大批量生产。此外,公司在2018年每年可以制造5,000个,也反映了工艺在短短两年内取得的进步。

Luxexcel通过一系列的发展,优化了VisionPlatform工艺,成功地继续向大批量生产扩张。这项技术现在能够比以前更有预见性和灵活性地制造镜片,能够进行大批量的打印,并推动更多用户采用。

透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术

透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术

透明3D打印玻璃:光固化硅树脂(二氧化硅纳米颗粒)技术


Luxexcel的首席战略官Guido Groet说:"我们的批量制造解决方案的所有组件都无缝协作,以确保客户和合作伙伴可以批量3D打印镜片。与客户一起,我们现在已经证明了VisionPlatform是稳定的,并且提供了可扩展性,可以灵活地创建具有个性化规格的大批量镜片。"





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