玻璃的3D打印（3DP）

玻璃是人类最古老的材料之一。它的使用历史可追溯到古埃及和古罗马时期，现在也在21世纪的制造技术中占有一席之地。玻璃在人们的生活中无所不在，其独特的透光性和材质吸引着艺术家创造出充满魅力的艺术品，同时也吸引着消费者和企业为此趋之若鹜。然而玻璃特有的脆性也对玻璃的加工技术提出了挑战，如何探索出高效便捷的玻璃加工技术，萦绕在企业和工程师心间。

随着技术的不断发展，人们对材料性质的认识不断深入，对相关材料的加工技术也随着需求不断地革新，其中3D打印技术便是一项具有突破性的技术。3D打印具有节约材料、装置便捷、可打印物品形状灵活、打印零件精密、生产率高、生产成本低等优点，被认为是引领下一次制造业革命的加工技术。目前可用的各种3D打印技术已用于聚合物或金属，但其在玻璃加工领域的应用则略显疲乏。为了更方便高效的加工出复杂的玻璃制品，相关科研人员和工程师经过试验探索，将3D打印技术（增材制造）引入到玻璃制品的加工中来。

相较于研发及应用较为成熟的陶瓷和金属等材料，玻璃材质熔点高且玻璃液体固化成型需要经过保温、退火等步骤，需要精确控制温度以避免发生炸裂等现象，因此玻璃材料的3D打印的难度更大。

3D打印玻璃技术的分类

以3D打印过程中是否需要采用激光为分类依据，可以将玻璃的3D打印技术简单的分为非激光3D打印技术与激光3D打印技术。其中非激光3D打印技术有融熔沉积成形（FDM）、黏结剂喷射打印成形、光固化立体成形（SLA）；激光3D打印技术主要为激光烧结/熔融（SLS/SLM）技术。

黏结剂喷射打印成形

Marchelli等人采用麦芽糖糊精为黏结剂将玻璃粉与辅料混合，采用3D打印方式通过喷墨打印喷射黏结剂助活剂打印立体物件。随后对打印出的坯体进行后处理，主要处理过程为定温净化、升温熔合、自然冷却等步骤。不同的温度变化对材料的收缩也有一定的影响。此外，不同粒径玻璃粉体原料3D打印烧结出的成品，其表面粗糙程度和层间纹理厚度也不尽相同。

（a）打印样件的收缩照片

（b）不同粒径玻璃粉打印出的样品（标尺为毫米级）

融熔沉积成形（FDM）

Klein等人采用熔融挤出成型的方法，其独特的3D打印喷嘴可维持在一定高度，水平连续挤出熔融玻璃，通过控制喷嘴的移动速度可以进行较复杂结构的玻璃构建制备。该法打印出的玻璃制品，表面光滑且拥有较高的光学透明度。

熔融喷嘴打印过程

光固化立体成形（SLA）

Frederik Kotz等人将高纯度石英玻璃和少量液体聚合物的纳米粒子混合在一起，并通过立体光刻法在特定点通过光线固化。保持液态的材料在溶剂浴中洗出，仅留下所需的固化结构。随后通过加热除去仍混合在该玻璃结构中的聚合物。此时坯体仍然不稳定，因此需要进一步烧结使玻璃颗粒熔化并自然冷却成型。

光固化立体成形流程

激光3D打印玻璃技术

激光烧结技术在金属、陶瓷等材料的3D打印中应用较为广泛，激光辐照区域所产生的局部高温可以满足绝大多数高熔点材料的熔融成型需要，其中便包括玻璃粉体的3D打印成型加工。

Lee等人采用单斜晶体HBO2作为黏结剂与氧化铝-锌硼硅玻璃粉复合，利用SLS打印玻璃陶瓷复合物，随后进行高温处理得到成品构件。通过对不同温度区间内所烧结的材料检测，发现温度对陶瓷玻璃的密度和抗弯强度都存在影响。

激光3D打印玻璃的应用

3D打印技术应用在玻璃制品的加工方面其最突出的优势便是，精确可控的三维空间模型制造突破了传统的模压法和吹泡法在复杂内部空间结构的局限。因此激光3D打印玻璃存在着不错的应用市场。如精美光学饰品、微化学分析器和光学元件等对制品空间构造有需求的应用方向。

目前玻璃的3D打印仍存在一些问题，如打印精度低、产品的热处理过程存在变形等问题，此外，受限于相关加工设备的发展，目前激光3D打印的玻璃样件尺寸较小，离实际应用和商业化还有一定的距离。相信随着技术的发展，未来3D打印技术在玻璃制品的加工上将焕发出不一样的光彩。

参考资料:

宁波材料技术与工程研究所. 宁波材料所玻璃3D打印技术及装备研究取得进展

林宣成．连续液面成型3D打印技术及建筑模型制作

顾钊铨．一种新型玻璃3D打印方案

杨玥. 激光3D打印玻璃研究进展

Susanne K. 3D printing of transparent glass

Lee I S. Rapid full densification of alumina-glass composites fabricate by a select laser sintering process

Marchelli G. The guide to glass 3D printing: Developments, methods,diagnostics and results

Frederik Kotz. Three-dimensional printing of transparent fused silica glass.