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玻璃3D打印是增材制造領域的一項新興技術，能夠產生一條可以一次打印一層的熔融線，這一過程與熔融沉積成型 (FDM) 打印機非常相似，但工作溫度大約比FDM高10倍。3D打印玻璃引起了科學家和藝術家的廣泛關注，為玻璃的定制制造提供了新途徑。接下來，南極熊將詳細介紹玻璃3D打印的工作原理、打印機的組成部分，以及玻璃3D打印在各個行業(yè)中的應用！
玻璃3D打印：基礎知識
玻璃3D打印不像木材或金屬填充的長絲那樣容易制造，木材和金屬小顆粒能夠分散在長絲中，模仿材料的紋理。但真正的玻璃3D打印機需要純玻璃來打印(有些人已經找到了在樹脂中添加玻璃顆粒來進行打印的方法)，目前常用和主流的仍然是FDM式打印機，因此南極熊將重點放在這些打印機上，最后再介紹最玻璃-樹脂打印。
從粉碎玻璃、熔化玻璃，到制造打印機所需的絲材，需要執(zhí)行很多步驟。目前，該領域的許多人正在生產自己的庫存材料。然后使用3D打印機將熔融玻璃一層又一層地以線條的形式打印出來。整個流程與FDM相似，但最大的區(qū)別在于玻璃3D打印機需要更多的熱量，打印溫度高達1,300 °C，腔室溫度高達400 °C，是一個熱噴嘴！
材料
玻璃的種類有很多，鈉鈣玻璃、藝術玻璃、水晶玻璃，甚至回收玻璃瓶等玻璃都可以進行3D打印，其中不同的細絲由不同的材料制成，需要不同的溫度。
玻璃 3D 打印機(例如Maple Glass Printing 的 Maple 3)使用玻璃棒，玻璃棒通過頂部的孔插入玻璃 3D 打印機，通向加熱元件，然后通向噴嘴。通過粉碎機后，廢玻璃進入設備Vitri-Glass來變成玻璃棒，該設備將熔融玻璃拉成棒，可以生產直徑在3.5至6毫米之間的玻璃棒，用于玻璃3D打印機。玻璃3D打印非常適合回收，玻璃甚至可以一次又一次地回收，而不會降低性能。
打印過程
通過上述步驟，玻璃棒已準備好了，下面可以裝入打印機進行打印了。請注意，這些玻璃棒沒有纏繞在線軸上，并且需要在打印時連續(xù)加載到打印機中。有些打印機可內置有玻璃棒擠壓件，例如麻省理工學院 Neri Oxman 的研究小組生產的設備。
玻璃 3D 打印機必須將玻璃棒或碎片的溫度提高到 1,300 °C 左右，使其足夠軟以進行擠出，具體取決于玻璃的類型。無論哪種形狀的玻璃，都必須到達這種極端的熱量才能打印到平臺上。
與大多數當前的3D 打印機和CNC 機器一樣，玻璃 3D 打印使用 G 代碼來轉發(fā)打印指令。在打印室內，正在進行的打印部件處于 400 °C 的高溫下，直到打印完成并開始緩慢冷卻至室溫。后處理取決于所需的最終用途。這項技術還處于早期研發(fā)階段，相信隨著這一領域的不斷發(fā)展，打印機的具體設置可能會有所不同。
玻璃打印與玻璃的傳統(tǒng)制造
3D打印玻璃不會很快對傳統(tǒng)的大規(guī)模玻璃生產方法構成挑戰(zhàn)。與3D打印塑料一樣，這種玻璃制造最適合用傳統(tǒng)方法(在本例中為玻璃吹制)難以或不可能實現(xiàn)的小眾、定制或復雜模型。
玻璃吹制是一項復雜且對體力要求很高的技術，需要多年的培訓才能進行專業(yè)的操作。對于那些偶爾需要定制玻璃片或對此領域不熟悉的人來說，玻璃制造是一個巨大的障礙。擁有一臺玻璃3D打印機可以使該材料的生產變得像塑料一樣容易生產。麻省理工學院致力于改進玻璃3D打印機的研究人員表示能夠控制打印玻璃表面的紋理，包括玻璃吹制無法實現(xiàn)的內表面控制。
應用領域
許多從事玻璃3D打印的公司和科學家將藝術、建筑、光學、研究和珠寶視為目前將看到玻璃3D打印優(yōu)勢的主要領域。奧克斯曼 (Oxman)結合了藝術、材料科學和結構工程，創(chuàng)造了一些令人驚嘆的結構。
作為一種藝術媒介，3D打印玻璃可以實現(xiàn)具有獨特曲率和內部幾何形狀的精確且重復的沉積線。當光線沿著層線和表面紋理分散和反射時，穿過玻璃結構會產生美麗、迷人的極光效果。
推動玻璃打印向前發(fā)展的另一個應用是科學研究。玻璃器皿因其強度、化學惰性和透明度而成為多個 STEM 領域不可替代的實驗資產，并且需要定制。一個例子是微流體裝置，研究人員用它來對極少量的材料進行受控實驗。這些設備包含復雜的內部通道網絡，目前的生產非常耗時，玻璃3D打印可能會改變這一點；然而，這項技術還未得到全面應用。
對于微流體等應用所需的小型且復雜的特征，F(xiàn)DM 式方法可能并不理想，樹脂打印能夠達到更高的分辨率，一家名為 Glassomer 的初創(chuàng)公司的目標就是做到這一點。
樹脂玻璃
Glassomer是一家由卡爾斯魯厄理工學院研究實驗室NeptunLab成立的德國初創(chuàng)公司，使用含有無定形二氧化硅的液體玻璃樹脂實現(xiàn)玻璃3D打印。據該初創(chuàng)公司稱，這種含玻璃樹脂可以在任何桌面樹脂 3D 打印機上打印。
后處理需要將打印件放入溫度達到 1,300 °C 的烤箱中進行燒結，以熔化聚合物粘合劑并將玻璃顆粒融合成固體透明件。該公司聲稱，盡管材料熔化了，但部件在所有方向上收縮后仍能保持其形狀。這種類型玻璃打印的表面粗糙度低至幾納米，并允許制造復雜的物理結構。打印這種樹脂的主要限制是它的壁厚：不能大于 1 厘米，否則會導致玻璃內部破裂。
商業(yè)設備
玻璃3D打印作為一項新技術，參與其中的人并不多。上文已經提到了玻璃 3D 打印領域的幾個參與者，但大部分仍處于研發(fā)階段。Maple Glass Printing成為唯一一家提供商業(yè)玻璃 3D 打印設備的公司。
Maple Glass Printing總部位于澳大利亞，目標是通過在打印機中使用玻璃來提高玻璃的回收率，從而推動可持續(xù)創(chuàng)造，并對垃圾填埋場產生積極影響。他們現(xiàn)在正在開發(fā)第三代打印機——Maple 3。
Maple 3 可以在購買，發(fā)布價格為 45,000 美元。如果希望能夠用回收的玻璃制造自己的玻璃絲，用戶可以購買Vitri-Glass，這是他們的高通量自動化玻璃絲擠出機，價格為 15,000 美元。
目前還沒有很多專門做玻璃3D商業(yè)打印的廠家，隨著大量研究和研發(fā)工作的推動，相信將此類技術能夠更快地推向市場。
玻璃3D打印的未來有很多值得期待的地方。麻省理工學院正在研究先進的玻璃 3D 打印技術，他們創(chuàng)建了一種低溫解決方案，可以使打印溫度從約 1,000-1,400 °C 降至僅 250 °C。低溫玻璃制造不僅可以使打印機更安全并減少能耗，而且還可以添加改變玻璃特性的添加劑。
總而言之，可以看到玻璃3D打印還處于起步階段，還有很大的增長空間，尤其是在普及方面。希望在銷售商業(yè)設備的公司的幫助下，玻璃3D打印的未來將變得更高效、更容易使用，從而不斷擴大和發(fā)展。
原標題：玻璃3D打?。翰牧?、工藝過程與應用
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