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美国科学家开发3D打印透明玻璃新方法,有望改变激光器和其他光学元器件的设计和结构

2017-05-05 239浏览 标签: 3D打印玻璃

201752日,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(以下简称LLNL)通过官网发布消息称,LLNL科学家及其学术合作者已经通过3D打印展示了透明玻璃制造的新方式,这一发展有望改变激光器和其他光学元器件的设计和结构。

研究团队的科学家们来自LLNL,以及明尼苏达大学和俄克拉荷马州立大学。其研究成功发表至428日的“Advanced Materials”论文题目“3D-Printed Transparent Glass”。在论文中,研究人员描述了3D打印技术,可以实现以前常规制造工艺无法实现的玻璃结构和组成成分梯度。

LLNL化学工程师和该研究项目负责人Rebecca Dylla-Spears说:“实验室一直在寻找不同的方法来创建光学应用的新材料。我们不会用传统手段取代光学材料,但是我们正试图通过3D打印技术来传递新的功能,这是能够打印成分分级型玻璃光学元件的第一步。

目前,已有多家研究机构展示了3D打印玻璃材料的可能性,然而先前的研究通过加热打印喷头挤出熔融玻璃丝,或者使用激光来选择性熔融玻璃粉末。通过这些方法,粉末和长丝在打印过程中被加热的短时间内不能完全融合在一起,研究人员说,这将导致多孔或不均匀的结构而不适合于光学应用。

LLNL的研究不依赖于打印熔融玻璃,而是通过创建了由具有高度可控的流动性玻璃(二氧化硅)颗粒浓缩悬浮液所形成的定制油墨,其可在室温下打印。随后打印的部件经过热处理过程,以加强部件的密封性。直接打印的产品不透明,但干燥和热处理可以使其变得透明。最后,处理的部件通过光学质量抛光。研究人员表示,该方法提高了部件获得光学均匀性的可能。

研究人员在找到正确的材料组合之前,经过了大量的材料混合物筛选。LLNL材料工程师Du Nguyen说:“为了打印出高品质的光学元件,不应该看到任何毛孔和线条,这些部件必须是透明的。大多数其他3D打印玻璃首先需要融化玻璃,然后等其冷却下来,这个过程中的残余应力将可能导致开裂。而我们选择室温下打印过程,这便不是一个问题。

该研究可以允许科学家在单个平面光学元件中打印结合不同折射率的玻璃,而不是通过玻璃组合物来实现类似透镜特性所需的特殊形状。由于能够编程,3D打印组件的过程会更容易也更便宜。研究人员表示,他们不是想以此替代传统的光学器件,而是希望通过目前市场上不存在的成分梯度来探索新的应用。设计新颖的光学元件而不是使用现成的光学元件,可以减小光学系统的尺寸,重量或成本。现在他们已经证明3D打印透明玻璃是可能的,研究人员正在通过改变玻璃的组成,将注意力转向制作实际的高品质光学透镜和梯度折射率透镜,这将需要更多的过程理解和控制。

这项研究由LLNL实验室指导研究与开发(LDRD)计划资助。其他研究人员包括实验室科学家和工程师Timothy YeeNikola DudukovicJoel DestinoCheng ZhuTheodore Baumann,以及明尼苏达大学的Cameron Meyers和俄克拉荷马州立大学的James Smay

 

通过新型3D打印可以在单个平面光学元件中结合不同折射率的玻璃(来源:LLNL

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