3D列印玻璃：用於硬質醫療微設備的陶瓷

《3D列印商情》近日獲悉，立陶宛維爾紐斯大學的研究人員已經成功地在納米尺度上進行3D列印玻璃陶瓷。研究論文「納米級解析度的3D玻璃陶瓷增材製造」由darius gailevi?ius，viktorija?，liina mikoliūnait?，simas?akirzanova，suaulius juodkazis和mangirdas malinauskas共同撰寫。據了解，該研究由美國陸軍航空兵和導彈研究開發和工程中心（AMRDEC）撥款資助，該中心正在尋求發現高效感測應用。而對3D列印石英玻璃的其他研究包括則由德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的NeptunLab領導的一項研究。

研究論文摘要：使用溶膠 - 凝膠抗蝕劑前體製備具有低至納米級解析度的真3D無機陶瓷。該方法具有不受限制的自由形式能力，填充因子的控制和高製造產量。基於有機 - 無機雜化溶膠 - 凝膠樹脂的超快激光3D光刻然後進行熱處理的所提出方法的系統研究使得能夠由初始樹脂的組成引導無機非晶和結晶複合物的形成。對於複雜自由形式體系結構的3D圖案，獲得了100nm的解析度。實現50×10 3體素/ s的製造吞吐量;體素 - 通過單脈衝曝光記錄單個體積元素。在隨後的熱處理之後，根據拉曼微光譜驗證的熱處理的溫度和持續時間形成陶瓷相。X射線衍射（XRD）顯示在較高溫度下結晶相逐漸出現，具有方石英SiO 2（一種高溫多晶型物）的特徵。此外，觀察到以其高斷裂強度已知的四方ZrO 2相。這種3D納米燒結技術可從納米尺寸擴展到毫米尺寸，為各種結晶無機材料的光學3D納米印刷開闢了一條概念性的新途徑，該材料由初始成分定義，適用於惡劣的物理和化學環境以及高溫下微型器件的各種應用。

這些非晶材料具有強大的潛在熒光或超導性，通過增材製造製造，有助於創建量身定製的量子點，並釋放微型器件製造的新潛力。這種裝置的實例還有用於醫學研究的微型機器人或微流體晶元。

微3D列印Vytis雕塑的均勻縮放。左圖為雕塑印刷。右圖為在1200℃下燒結1小時後顯示相同的結構。

超快激光3D光刻

對於這個實驗，研究人員使用了雙光子光刻技術。這是一種在光子尺度上進行3D製造的方法，該技術採用超快脈衝飛秒激光來精確固化光反應材料。該技術的一種商業方法由德國的Nanoscribe在Photonic Professional GT系統中銷售，但維爾紐斯大學系統被稱為「超快激光3D光刻」或「3DLL」。

選擇用於研究的材料是玻璃陶瓷，或「溶膠 - 凝膠」、抗蝕劑SZ2080、改性硅膠和光聚合物，經常被於醫學應用，以及製備紫外線防護塗層或量子點。

綠色部件和玻璃陶瓷

SZ2080是一種多步驟工藝，類似於綠色部件金屬燒結，首先將SZ2080 3D列印成所需形狀，其尺寸為數百納米。本研究中給出的例子包括Vytis的微型雕塑，立陶宛的徽章; 一個立方體; 光子晶體結構和六角形支架（如下圖）。

列印完成後，零件在高達1500℃的溫度下燒結。該工藝分解80％的材料成分，使部件收縮40-50％，併產生比列印部件更高的解析度。

燒結過程還可以形成物體的玻璃—陶瓷晶體結構，從而實現卓越的機械和化學性能。

正如研究所述，「抗蝕劑中存在的二氧化硅和氧化鋯前體在~20％質量的無機成分中將導致最終燒結陶瓷材料中出現二氧化硅和氧化鋯晶相。」

3D列印後的微結構（左）

與燒結後的相同結構（右）

更複雜更有彈性的微器件

通過定製這一過程，研究人員將能夠製作自由形式的3D結構，其複雜性無法通過其他微加工方法創建。此外，正如本研究結論中所述，這些結構將「獲得新的特徵，特別是在惡劣的物理和化學環境中的復原力」。

此外，「由於納米級材料可以引發沉澱」（用於製造顏料和海水脫鹽等）和「引導納米微晶的生長」，（例如量子點）「實驗範圍的廣闊領域因所呈現的而擴大增材製造的形式。」

來源：3D列印商情

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