非逐层3D打印技术再突破，可制造超精细玻璃微结构

美国加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的研究人员近日在Science期刊上发表了一项新研究成果：他们开发了一种3D打印玻璃微结构的新方法，该方法速度更快，并能打印具有更高的光学质量、设计灵活性和强度的微结构。

加州大学伯克利分校的研究人员与德国弗莱堡阿尔伯特路德维希大学（Albert Ludwig University of Freiburg）的科学家合作，进一步拓展了他们三年前开发的创新3D打印工艺——计算轴向光刻技术（CAL），打印出更精细的特征尺寸，并能在玻璃中实现3D打印。他们将这一新系统称为“micro-CAL”。

3D打印的三叉微管模型

玻璃是制造复杂微观结构的重要材料之一，例如智能手机和内窥镜中紧凑型高品质相机应用的镜头，以及用于分析或处理微量液体的微流控器件。不过，目前的制造方法往往速度慢、成本高，无法满足行业不断增长的需求。

CAL工艺与当前其他工业3D打印制造工艺有着本质区别，后者都是通过逐层打印材料来制造各种结构。这类技术通常需要耗费大量的时间，且表面纹理相对较为粗糙。相比之下，CAL工艺可以同时打印整个对象。研究人员使用激光将模式光投射到旋转的光敏材料体中，形成3D光固化，从而一次性打印出所需要的3D形状。CAL工艺的非逐层特性使打印表面平滑，并能制造更复杂的几何形状。

这项研究在CAL工艺的基础上实现了再次突破，展示了它在玻璃结构中打印微尺度特征的能力。加州大学伯克利分校首席研究员、机械工程教授Hayden Taylor说：“我们在2019年首次发布了这种CAL方法，当时能够打印特征尺寸低至三分之一毫米的聚合物。现在，使用micro-CAL工艺，我们可以打印的特征尺寸进一步降低至十万分之一米量级，即大约为人类头发宽度的四分之一。并且，我们首次展示了这种方法不仅可以用于聚合物，还可以用于玻璃。”

为了打印玻璃，Taylor和他的研究团队与来自弗莱堡阿尔伯特路德维希大学的科学家合作，开发了一种特殊的树脂材料，其中包含由光敏粘合剂包围的玻璃纳米颗粒。首先，来自打印机的数字光投射使粘合剂固化，然后，研究人员加热打印物件以去除粘合剂，并将颗粒融合到纯玻璃的固体结构中。

Taylor说：“其中的关键是粘合剂的折射率几乎与玻璃的折射率相同，因此光通过材料时几乎没有散射。CAL印刷工艺和Glassomer公司开发的这种材料完美匹配。”

3D打印六边形微透镜阵列

该研究团队主要作者、Taylor实验室的博士生Joseph Toombs进行了测试，发现利用CAL工艺打印的玻璃结构的强度一致性更高，比使用传统逐层打印工艺制造的结构更稳定。Taylor说：“当玻璃结构中的瑕疵或裂纹更多，或者表面粗糙时，它们往往更容易破碎。因此，与其他逐层3D打印工艺相比，CAL工艺能够使打印的物体表面更平滑，这是一个巨大的潜在优势。”

CAL 3D打印方法为显微镜玻璃制造商提供了一种新的、更高效的制造方法，可以满足客户对几何形状、尺寸、光学和机械性能等方面的严苛要求。具体来说，例如显微光学组件，它们是小型摄像机、虚拟现实（VR）设备、先进显微镜和其他科学仪器的关键组件。Taylor说：“能够更快速的制造这些组件，并使它们具有更大的几何自由度，有望带来全新的设备功能，以及更低的成本。”

这项研究由美国国家科学基金会、欧洲研究理事会、卡尔蔡司基金会、德国研究基金会和美国能源部资助。

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