激光精密切割加工厂

导读： 利用激光对玻璃进行3D打印加工的研究在逐年增加。包含激光玻璃粉激光烧结／熔融和立体光固化。SLS已被应用于金属、陶瓷和高分子聚合物，玻璃虽难度较大但也同样适用。

相比于陶瓷、金属等材料而言，玻璃材料用于3D打印的难度更大，这是由于玻璃材质熔点高，一般玻璃液体固化成型需要经过保温退火等步骤，需精确的温度控制以避免发生玻璃炸裂等情况。实现高精度的成形控制是玻璃3D打印中一个较大难题。

目前国内外对于玻璃3D打印的研究较少，融熔沉积成形（FDM）、粘结剂喷射打印成形（3DP）、玻璃粉／熔融（SLS／SLM）和光固化立体成形（SLA）都曾见诸报道。

激光3D打印玻璃技术

利用激光对玻璃进行3D打印加工的研究在逐年增加。包含激光玻璃粉激光烧结／熔融和立体光固化。SLS已被应用于金属、陶瓷和高分子聚合物，玻璃虽难度较大但也同样适用。

利用SLM方法打印玻璃的原理与金属打印类似，其成形原理是：采用铺粉装置将一层玻璃粉体铺平在基板上或已成形的零件上表面，控制系统通过控制高能按照相应的层截面轮廓在玻璃粉层上扫描，使玻璃粉末熔化并与基板或下面已经成形的部分熔合。当一层截面熔化完成之后，工作台下降一个打印层厚，接着铺粉装置再铺一层玻璃粉体，进行新一轮熔化打印，如此反复进行直至零件打印完成。根据将打印出的坯件放入炉子中进行热处理，按照设定好的温度制度、焙烧气氛和压力进行热处理。SLM方法打印玻璃是最有希望实现3D玻璃精密打印的技术。

利用SLA方法打印玻璃的主要原理是：以玻璃树脂浆料（玻璃粉体分散在光敏单体中形成，根据需要添加其他材料）为原料，通过紫外激光使树脂逐层固化成形。方法多样，例如：

利用计算机控制发出紫外激光束按照零件的切片轮廓信息对玻璃树脂扫描，使被扫描部分的光敏树脂发生聚合（固化）反应，形成薄层截面。当一层玻璃树脂固化完成后工作台下降一个层厚的高度，在固化好的部分上面再覆盖一层玻璃树脂，刮刀将液面刮平，然后进行下一层扫描，如此反复直到零件制作完成。

当玻璃树脂黏度较高，流动性较差时，则可采用倒置式打印。工作台浸没在树脂中，紫外光按零件切片轮廓信息从下往上照射使之固化。当一层薄层固化完成之后，工作台上升一个层厚，进行新一轮固化。如此反复，直至零件打印完成。将打印出的坯件放入炉子中进行热处理，按照设定好的温度制度、焙烧气氛和压力进行热处理。这个过程分为两个阶段：根据选用的有机物加热到特定温度脱去坯体中的有机物，这是十分敏感容易出现缺陷的阶段；加热到1000 ℃以上实现致密化、形成玻璃，烧结完成等冷却后便可得到最终的玻璃产品了。可参见下图1。

笔者所在的课题组在国内较早开展了激光3D打印玻璃的研究和探索。通过分散机将平均粒径为50 nm的气相SiO2粉体分散在甲基丙烯酸羟乙酯（光敏单体）、四乙二醇二丙烯酸酯（交联剂）和安息香二甲醚（光引发剂）的混合溶剂中，形成流动性良好的液态玻璃浆料，将玻璃浆料置于模具中用紫外灯照射使其固化，验证了该浆料用于光固化立体成形的可行性。接着以该玻璃浆料为原料，利用光固化快速成型机，在激光功率70 mW，扫描速率2000 mm／s打印出块状坯体，通过后续热处理排脂，最终在1250 ℃得到透明玻璃块体，见下图2。