根據發表在《科學》雜誌上的一項新研究，加州大學伯克利分校的研究人員開發了一種3D打印玻璃微結構的新方法。這種方法速度更快，生產的物體具有更高的光學質量、設計靈活性和強度。
研究人員與德國弗賴堡大學的科學家們合作，擴展了他們三年前開發的3D打印工藝–計算軸向光刻技術（CAL）的能力，以打印更精細的特徵，並在玻璃中打印。他們把這個新系統稱為“micro-CAL”。
玻璃通常是製造複雜微觀物體的首選材料，包括智能手機和內窺鏡中使用的小型高質量相機的鏡頭，以及用於分析或處理微量液體的微流體裝置。然而，目前的製造方法可能是緩慢的、昂貴的，而且在滿足該行業日益增長的需求方面能力有限。
CAL工藝與今天的工業3D打印製造工藝有根本的不同，後者是用薄薄的材料層建立起物體。這種技術可能會耗費大量時間，而且會導致粗糙的表面紋理。然而，CAL是同時對整個物體進行3D打印的。研究人員使用激光將光的模式投射到旋轉的光敏材料中，建立起一個三維光劑量，然後凝固成所需的形狀。CAL工藝的無層性使得光滑的表面和複雜的幾何形狀成為可能。
這項研究突破了CAL的界限，展示了其在玻璃結構中打印微尺度特徵的能力。“當我們在2019年首次發表這種方法時，CAL可以將物體打印到聚合物中，其特徵大小約為三分之一毫米，”加州大學伯克利分校的主要研究人員和機械工程教授 Hayden Taylor說。
“現在，通過micro-CAL，我們可以在聚合物中打印物體，其特徵小到約2000萬分之一米，或約為人類頭髮寬度的四分之一。而且，我們首次展示了這種方法不僅可以在聚合物中打印，還可以在玻璃中打印，其特徵可縮小至約五千萬分之一米。”
為了打印玻璃，Taylor和他的研究團隊與弗賴堡大學的科學家們合作，他們開發了一種特殊的樹脂材料，其中含有玻璃的納米顆粒，周圍是光敏的粘合劑液體。來自打印機的數字光投射使粘結劑凝固，然後研究人員對打印的物體進行加熱，以去除粘結劑，並將顆粒融合在一起，成為純玻璃的固體物體。
Taylor說：“這裡的關鍵因素是，粘合劑的折射率與玻璃的折射率幾乎相同，因此，光線通過材料時幾乎沒有散射。CAL印刷工藝和這種Glassomer （GmbH）開發的材料是彼此的完美結合。”
研究小組還進行了測試，發現CAL打印的玻璃物體比使用傳統的基於層的打印工藝製造的物體具有更穩定的強度。 Taylor說：“當玻璃物體含有更多的缺陷或裂縫，或有一個粗糙的表面時，它們往往更容易破碎。因此，與其他基於層的3D打印工藝相比，CAL製作表面更光滑的物體的能力是一個很大的潛在優勢。”
CAL的3D打印方法為微觀玻璃物體的製造商提供了一種新的和更有效的方法，以滿足客戶對幾何形狀、尺寸和光學及機械性能的苛刻要求。具體來說，這包括微觀光學部件的製造商，這些部件是緊湊型相機、虛擬現實頭顯、高級顯微鏡和其他科學儀器的關鍵部分。 Taylor說：“能夠以更快的速度和更大的幾何自由度製造這些部件，有可能帶來新的設備功能或更低的成本。”