日前，加州大學伯克利分校的研究人員開發(fā)了一種3D打印玻璃微結構的新方法。該方法速度更快，生產的物體具有更高的光學質量、設計靈活性和強度。該研究結果發(fā)表在 近期的《科學》雜志上。

加州大學伯克利分校的研究人員與德國弗賴堡大學的科學家們合作，擴展了他們三年前開發(fā)的3D打印工藝——計算軸向光刻技術（CAL）的能力，以打印更精細的特征，并在玻璃中打印。他們把這個新系統(tǒng)稱為“micro-CAL”。

玻璃通常是制造復雜微觀物體的首選材料，包括智能手機和內窺鏡中使用的小型高質量相機的鏡頭，以及用于分析或處理微量液體的微流體裝置。然而，目前的制造方法可能是緩慢的、昂貴的，而且在滿足該行業(yè)日益增長的需求方面能力有限。

CAL工藝與今天的工業(yè)3D打印制造工藝有根本的不同，后者是用薄薄的材料層建立起物體。這種技術可能會耗費大量時間，而且會導致粗糙的表面紋理。然而，CAL是同時對整個物體進行3D打印的。研究人員使用激光將光的模式投射到旋轉的光敏材料中，建立起一個三維光劑量，然后凝固成所需的形狀。CAL工藝的無層性使得光滑的表面和復雜的幾何形狀成為可能。

這項研究突破了CAL的界限，展示了其在玻璃結構中打印微尺度特征的能力。“當我們在2019年首次發(fā)表這種方法時，CAL可以將物體打印到聚合物中，其特征大小約為三分之一毫米，”加州大學伯克利分校的主要研究人員和機械工程教授 Hayden Taylor說。

“現在，通過micro-CAL，我們可以在聚合物中打印物體，其特征小到約2000萬分之一米，或約為人類頭發(fā)寬度的四分之一。而且，我們首次展示了這種方法不僅可以在聚合物中打印，還可以在玻璃中打印，其特征可縮小至約五千萬分之一米。”

為了打印玻璃，Taylor和他的研究團隊與弗賴堡大學的科學家們合作，他們開發(fā)了一種特殊的樹脂材料，其中含有玻璃的納米顆粒，周圍是光敏的粘合劑液體。來自打印機的數字光投射使粘結劑凝固，然后研究人員對打印的物體進行加熱，以去除粘結劑，并將顆粒融合在一起，成為純玻璃的固體物體。

Taylor說：“這里的關鍵因素是，粘合劑的折射率與玻璃的折射率幾乎相同，因此，光線通過材料時幾乎沒有散射。CAL印刷工藝和這種Glassomer （GmbH）開發(fā)的材料是彼此的完美結合。”

研究小組還進行了測試，發(fā)現CAL打印的玻璃物體比使用傳統(tǒng)的基于層的打印工藝制造的物體具有更穩(wěn)定的強度。Taylor說：“當玻璃物體含有更多的缺陷或裂縫，或有一個粗糙的表面時，它們往往更容易破碎。因此，與其他基于層的3D打印工藝相比，CAL制作表面更光滑的物體的能力是一個很大的潛在優(yōu)勢。”

CAL的3D打印方法為微觀玻璃物體的制造商提供了一種新的和更有效的方法，以滿足客戶對幾何形狀、尺寸和光學及機械性能的苛刻要求。具體來說，這包括微觀光學部件的制造商，這些部件是緊湊型相機、虛擬現實頭顯、高級顯微鏡和其他科學儀器的關鍵部分。Taylor說：“能夠以更快的速度和更大的幾何自由度制造這些部件，有可能帶來新的設備功能或更低的成本。”

相關鏈接：https://doi.org/10.1126/science.abm6459