磨削技術
德國新技術：無需燒結的3D玻璃打印工藝問世 |
| 發布時間：2023/7/29 |
| 過往玻璃的3D打印需要依靠高溫燒結，但德國一所大學新開發的3D玻璃打印技術，可以在無燒結且低溫的情況下，將納米級的玻璃打印在芯片或其他光學儀器上。這項創舉將為光學、光子學和半導體技術領域開辟許多新的應用。 德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruher Institut für Technologie，KIT）開發的3D玻璃打印工藝為“多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）”。這項工藝利用有機物和無機物混合的聚合物樹脂作為打印的原料，將玻璃打印在物品上，且過程無需高溫燒結。該大學將這項工藝寫成論文，并在6月發表至《科學》雜志上。  論文介紹，玻璃卓越的光學透明度及熱、化學和機械彈性，使其成為現代工程應用最重要的材料之一，但普通玻璃（二氧化硅）熔點為1100°C左右，這使得它在打印上一直具有挑戰性。 盡管，玻璃在塑型和制造上取得了很大進展，但仍然依賴既定的工業流程與古法吹制技術，才能讓玻璃熔化或顆粒燒結。此外，過去常用的雙光子聚合（TPP）3D石英玻璃樹脂納米打印技術雖然具有相當大的潛力，但很大程度被限制在平面結構進行打印，因此適用性十分有限。 原因是單純雙光子聚合（TPP）打印出來的成品，需要在含有惰性氣體和1100°C至1300°C的高溫度環境中進行數天的燒結程序，才能消除打印過程中的黏合劑，最終讓玻璃顆粒融合成固體。 不過，這種高溫會破壞半導體、太陽能電池、紅外和光纖、激光器和光電探測器中的材料。因此，傳統的石英玻璃樹脂不能直接在芯片或不耐熱的儀器上打印，只能依靠印后組裝，但這些問題會降低它的競爭能力。 這次，德國卡爾斯魯厄理工學院團隊使用有機-無機聚合物樹脂作為原料，可以在低溫情況下打印復雜的透明熔融石英玻璃納米結構。 他們在POSS-玻璃樹脂中使用一款有機的黏合劑“丙烯酸酯”與二氧化硅混合的3D打印材料，并透過TPP工法將玻璃打印在平臺上，隨后將半成品放置在650°C環境（含有空氣）中去除丙烯酸酯，最終獲得完整熔融狀態的玻璃。 用這種新的方式打印出來的玻璃，在分辨率、結構質量和可覆蓋尺寸范圍方面優于無機TPP打印材料，且大小可以調整為數十至數百納米之間，而成品型狀有晶格、土丘和同心圓環。 科學家發現，光子晶體（玻璃顆粒）之間的距離大約350nm，這表明能夠在接近紫外（UV）范圍的波長下實現納米光子結構，因此產品在光學顯微照射下顯示了反射藍紫色光的結構，以及通過更大的顆粒間距，調整反射出來的顏色，例如：紅、綠和黃等。 此外，這種打印出來的玻璃光子晶體的透射率，遠比單純用TPP技術在1100°C進行燒結的熔融玻璃更好。除此之外，POSS打印出來的玻璃即使暴露于1000°C的高溫中也沒有顯著改變材料的透射率。 除了透射率之外，他們還發現，這種方法打印出來的微柱結構，在機械彈性、強度和剛度上，也比普通TPP 打印出來的玻璃強度高出10倍左右，還能增加高微透鏡的精度。南通第二機床有限公司是中國著名的大型平面磨床生產廠家之一，主要制造平面磨床、龍門銑床、電磁吸盤、壓力機系列產品。 為了證實材料表征，他們對打印的過程和成品進行檢測。數據顯示，成品在650°C時重量有損失，這表示丙烯酸酯聚合物在完全熱解后被去除；對選定區域進行觀察，看到成品有著均勻的非晶微觀結構且沒有任何孔洞；還證實該材料僅由硅和氧組成。 另外，他們對POSS打印出來的玻璃加熱至1200°C，其仍能保持幾何完整性，且沒有測量到進一步的收縮。這表示其結構非常穩定。 以上實驗成果表示，POSS樹脂打印工藝，實現過往只有在3D打印使用標準的有機樹脂才能做的聚合結構、質量、復雜性和可覆蓋尺寸大小，同時能在不破壞半導體、太陽能電池、激光器和光電探測器中的溫度中進行打印。 KIT納米技術研究所延斯·鮑爾（Jens Bauer）博士對該校的新聞室表示，“POSS樹脂的打印溫度較低，因此可以直接在半導體芯片上以自由形式，打印出堅固的光學級玻璃結構，同時具有可見光納米光子學所需的分辨率。 他還表示，“這種打印生產的石英玻璃，除了具有優異的光學品質外，還具有優異的機械性能，且易于加工。另外，我們的工藝生產的結構，即使在惡劣的化學或熱條件下也能保持穩定。” |
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