3D打印玻璃：用于硬质医疗微设备的陶瓷

《3D打印商情》近日获悉，立陶宛维尔纽斯大学的研究人员已经成功地在纳米尺度上进行3D打印玻璃陶瓷。研究论文“纳米级分辨率的3D玻璃陶瓷增材制造”由darius gailevi?ius，viktorija?，liina mikoliūnait?，simas?akirzanova，suaulius juodkazis和mangirdas malinauskas共同撰写。据了解，该研究由美国陆军航空兵和导弹研究开发和工程中心（AMRDEC）拨款资助，该中心正在寻求发现高效感测应用。而对3D打印石英玻璃的其他研究包括则由德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的NeptunLab领导的一项研究。

研究论文摘要：使用溶胶 - 凝胶抗蚀剂前体制备具有低至纳米级分辨率的真3D无机陶瓷。该方法具有不受限制的自由形式能力，填充因子的控制和高制造产量。基于有机 - 无机杂化溶胶 - 凝胶树脂的超快激光3D光刻然后进行热处理的所提出方法的系统研究使得能够由初始树脂的组成引导无机非晶和结晶复合物的形成。对于复杂自由形式体系结构的3D图案，获得了100nm的分辨率。实现50×10 3体素/ s的制造吞吐量;体素 - 通过单脉冲曝光记录单个体积元素。在随后的热处理之后，根据拉曼微光谱验证的热处理的温度和持续时间形成陶瓷相。X射线衍射（XRD）显示在较高温度下结晶相逐渐出现，具有方石英SiO 2（一种高温多晶型物）的特征。此外，观察到以其高断裂强度已知的四方ZrO 2相。这种3D纳米烧结技术可从纳米尺寸扩展到毫米尺寸，为各种结晶无机材料的光学3D纳米印刷开辟了一条概念性的新途径，该材料由初始成分定义，适用于恶劣的物理和化学环境以及高温下微型器件的各种应用。

这些非晶材料具有强大的潜在荧光或超导性，通过增材制造制造，有助于创建量身定制的量子点，并释放微型器件制造的新潜力。这种装置的实例还有用于医学研究的微型机器人或微流体芯片。

微3D打印Vytis雕塑的均匀缩放。左图为雕塑印刷。右图为在1200℃下烧结1小时后显示相同的结构。

超快激光3D光刻

对于这个实验，研究人员使用了双光子光刻技术。这是一种在光子尺度上进行3D制造的方法，该技术采用超快脉冲飞秒激光来精确固化光反应材料。该技术的一种商业方法由德国的Nanoscribe在Photonic Professional GT系统中销售，但维尔纽斯大学系统被称为“超快激光3D光刻”或“3DLL”。

选择用于研究的材料是玻璃陶瓷，或“溶胶 - 凝胶”、抗蚀剂SZ2080、改性硅胶和光聚合物，经常被于医学应用，以及制备紫外线防护涂层或量子点。

绿色部件和玻璃陶瓷

SZ2080是一种多步骤工艺，类似于绿色部件金属烧结，首先将SZ2080 3D打印成所需形状，其尺寸为数百纳米。本研究中给出的例子包括Vytis的微型雕塑，立陶宛的徽章; 一个立方体; 光子晶体结构和六角形支架（如下图）。

打印完成后，零件在高达1500℃的温度下烧结。该工艺分解80％的材料成分，使部件收缩40-50％，并产生比打印部件更高的分辨率。

烧结过程还可以形成物体的玻璃—陶瓷晶体结构，从而实现卓越的机械和化学性能。

正如研究所述，“抗蚀剂中存在的二氧化硅和氧化锆前体在~20％质量的无机成分中将导致最终烧结陶瓷材料中出现二氧化硅和氧化锆晶相。”

3D打印后的微结构（左）

与烧结后的相同结构（右）

更复杂更有弹性的微器件

通过定制这一过程，研究人员将能够制作自由形式的3D结构，其复杂性无法通过其他微加工方法创建。此外，正如本研究结论中所述，这些结构将“获得新的特征，特别是在恶劣的物理和化学环境中的复原力”。

此外，“由于纳米级材料可以引发沉淀”（用于制造颜料和海水脱盐等）和“引导纳米微晶的生长”，（例如量子点）“实验范围的广阔领域因所呈现的而扩大增材制造的形式。”

来源：3D打印商情