一种新型玻璃3D打印方案

3D打印是一项可以变革制造业的新兴技术。通过数字模型生产三维实体，3D打印在近十年受到了社会各界的关注，越来越多的公司、研究机构研发新型3D打印技术及3D打印机，越来越多的行业开始使用3D打印提高生產效率，力推工业进步和发展。玻璃工艺是我国传统文化的一个重要标志，玻璃制品也是人们日常生活中最为常见的类型。然而，传统的玻璃生产工艺效率低，成品率差，难以完成复杂形状的定制。3D打印这项技术和玻璃产业的结合，不仅可以大大提高玻璃生产的效率，提高成品率，还可以完成复杂形状的打印，充分发挥玻璃艺术创作者的创作天赋，促进玻璃行业的快速发展。然而，玻璃3D打印和传统3D打印相比难度更大，挑战性更高。玻璃材质熔点高，玻璃液态固化成型需要精确的温度控制等问题，均成为阻碍玻璃3D打印发展的难题。本文充分利用3D打印现有技术，基于熔丝堆积打印原理，提出一种新型玻璃3D打印方案，同时结合温度和运动的精确控制，实现玻璃制品的打印。

【关键词】3D打印 玻璃 熔丝堆积 打印机

1 引言

1.1 3D打印历史及发展

3D打印是一项直接从数字模型通过材料堆积等方式来产生三维实体的技术。3D打印在很多时候也被称为“增材制造”，区别于数字化制造中“减材制造”，3D打印主要通过耗材的堆积和增加，最终达到数字化模型的效果。

3D打印技术可以追溯到上世纪90年代。在1981年，名古屋工业研究所发明了光硬化聚合物的方法制造三维塑料模型，该方法为现在的光固化3D打印技术的前身。1986年，Chuck Hull发明立体光刻技术（stereolithography），用紫外激光固化高分子聚合物，然后将原材料逐层叠加起来，同时，Chuck Hull也为该技术申请了专利，3D打印正式走向商业用途。1988年，Scott Crump发明了熔融沉积建模法（fused deposition modeling，FDM），即通过加热可熔性材料逐层堆积并生成三维物体的方法。该方法也成为了目前大多数桌面级3D打印机采用的技术。

在随后的二十余年，3D打印逐步应用到制造、金属加工等行业，但是其发展速度比较缓慢，还没有快速走进人们的日常生活中。2005年，RepRap项目彻底激发了3D打印的发展潜力。该项目旨在研究机器进行自我复制，即快速打印自身RepRap - Replicating Rapid-prototype，主要打印大部分自身塑料组件。由于该项目从软件到硬件等各种资料都免费和开源给广大用户，越来越多的用户基于该项目拓展3D打印技术，并将该技术逐步商业化，也使得越来越多的行业接纳3D打印并尝试替换原有技术。例如，2010年世界第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世；2011年，世界上第一台巧克力打印机出现；2012年，苏格兰科学家尝试利用人体细胞打印人造肝脏组织。同时，国内在最近十年也迎来了3D打印的爆发。例如，北京航空航天大学利用3D打印技术制作飞机钛合金起落架等关键构件；清华大学创业团队结合3D打印机和食品制造，推出煎饼打印机一度受到社会各界追捧；成都高新科技区首创3D生物血管打印机，使人体器官再造称为可能；太尔时代，弘瑞等国内3D打印机制造公司不断普及工业级、桌面级3D打印机；乐轩锐蓝、创必得等公司也在逐步推广国产主板以及发展国产核心技术。数十年来，3D打印技术已经越来越为人们熟知，越来越多的行业开始使用3D打印技术替换原有制造技术，实现工业4.0的变革。

1.2 3D打印技术分类

虽然3D打印一直被认为是增材制造的一种方式，随着数十年来科技的不断发展，一些新型3D打印技术不断涌现，其中主要包括：

熔融沉积法（Fused Deposition Modeling，FDM）：利用高温将材料融化为液态，通过挤出头挤出以后，液体会迅速发生固化，然后逐层堆积，在立体空间上排列形成三维的物体。但是FDM方法把三维模型分成数层，然后逐层打印，从而导致打印效率低，耗时长，精度和每一层的厚度相关。该方法的优点是成型的物体硬度高，打印尺寸可以调整，容易打印较大尺寸的物体。

光固化成型法（Stereo Lithography Apparatus， SLA）：利用激光照射液态光敏树脂，固化分层从而制作三维物体。该方法大面积被3D System，EOS，西安交通大学和华中科技大学等使用。该方法速度很快，成型精度高，对于材料的利用率也很高，但是成型的物体比较柔软，柔性高。

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering， SLS）：该技术和SLA光固化类似，借助激光将物体固化为三维的整体。SLS使用红外激光束，在电脑的控制下通过3D扫描器对每层的二维数据扫描固化。激光扫描过的粉末烧结成一定厚度的固体，而其余未被扫描的地方依然保持粉末状，因此该方法被叫做选择性激光烧结。

数字光处理（Digital Light Processing， DLP）：该技术和SLA类似，其区别在于通过数字光源将光敏树脂进行固化，SLS方法中通过激光对粉末烧结形成固体，而DLP方法每次对整片区域扫描形成固体。该方法精度高，打印速度快，但是成型尺寸受到数字光源参数影响，因此一般情况下成型尺寸较FDM打印机小。

1.3 玻璃3D打印

玻璃工艺是我国传统文化中的一个重要标志，通过手工将玻璃原料或玻璃半成品加工而成的具有艺术价值的产品。这个过程充分体现了人类的创造性和艺术性，它来源于生活，却高于生活。玻璃是已知的最为古老的材料之一。4500年以前，美索不达米亚发明玻璃制造技术，主要用于制造玻璃珠等饰品；公元前1500年，埃及人制造出玻璃容器；公元前一世纪，叙利亚出现玻璃吹制技术；随后经过长时间的积累，19世纪中叶，蓄热室池炉用于玻璃熔制，用压-吹法制造大口瓶；进入20世纪，玻璃工业已经达到机械化和自动化的程度。如今，玻璃工艺品也越来越受到人们的追捧，它为普通人家里的装饰提升了品位与艺术感，在国内外都有巨大的消费市场。

3D打印技术通过材料堆积把三维模型变为实体，能有效地克服我们工业设计能力薄弱的问题，在提升我国工业领域产品开发水平的同时有助于攻克技术难关，形成新的经济增长点。我们考虑通过引入3D打印技术实现玻璃3D打印，让艺术创造者充分发挥他们的创造力，同时可以提高玻璃品的生产效率，降低玻璃品的创新成本。玻璃3D打印技术具有成型速度快，可打印复杂部件，个性化产品成本低等优点，将来可用于制备光纤连接器用的玻璃插针、电子玻璃器件等，是中华五千年文化与现代数字化制造技术的完美结合。把3D打印技术引入到传统的玻璃工艺中，有利于产品创新和提高生产率，令玻璃品行业有颠覆性的突破，提高中国在全球3D打印的地位，有利于扩大我国科技的对外影响力。

虽然3D打印技术愈发成熟，玻璃3D打印却并未受到广泛关注，这是因为玻璃打印难度大，该材质和传统的塑料、树脂等材质不同，玻璃液体固化成型需要经过保温退火等步骤，而在该过程中如果温度控制不当等，会发生玻璃炸裂等，从而降低玻璃成型效率。

国内外对于玻璃3D打印的研究较少，据我们所知，目前主要包括：玻璃粉激光烧结，主要原理同金属激光烧结技术相同，即是通过激光快速烧熔玻璃粉，使其粘接成型；玻璃丝烧熔堆积，其主要原理是用高温喷枪融化玻璃丝，由3D打印机控制玻璃丝，堆积成型；目前最新的技术是在2015年8月由MIT glass lab和Mediated Matter 联合公布的G3DP 项目，实现玻璃熔丝冷凝堆积方式透明玻璃3D打印，其打印原理是将融化的玻璃液通过打印头流入打印机机体的退火炉内，玻璃溶液在退火炉内冷凝堆积， 3D打印机控制打印头，打印出不同形状的玻璃制品。本文基于传统FDM技术，提出一种新型玻璃3D打印技术，并完成玻璃3D打印机原型。

2 玻璃3D打印设计方案

2.1 玻璃3D打印难点

和传统的3D打印不同，玻璃3D打印从材质到成型过程等均有很大的难度和挑战，其中包括：

（1）传统3D打印的材质是聚乳酸（PLA），ABS树脂等塑料材质，或者用于激光打印的粉末材质等，而玻璃3D打印中使用玻璃原料时，玻璃的熔点（约1000度）较塑料材质（约200度）高很多；而使用玻璃粉末会导致打印的物体颗粒感强，不均匀；

（2）玻璃打印中温度控制难度大。玻璃液体存储于温度高于1000度的容器中，经过打印头后，玻璃液体需要固话成型，而为了防止玻璃碎裂，一般而言需要将成型物体放置于退火炉中，控制温度480度左右，如何在自动化打印成型过程中控制玻璃温度具有很大的难度；

（3）精确的运动控制系统是3D打印中一个比较核心的部分。传统的3D打印也需要运动控制，而在玻璃3D打印中，玻璃制品对于精度的要求也很高，否则会出现尖角或者不均匀棱角。因此，实现高精度的运动控制也是玻璃3D打印中一个较大难题。

2.2 玻璃3D打印方案

本文基于FDM和熔丝冷凝，提出一种新型玻璃3D打印方案，设计原理如下：

整机由三个主要部分构成：

2.2.1 笛卡尔结构导轨

我们设计使用笛卡尔结构导轨承载玻璃制品，是因为笛卡尔结构导轨控制精度高，和计算机数控机床（Computer Numerical Control， CNC）类似，笛卡尔结构导轨可以承担重量较大的用于融化玻璃的坩埚炉及用于玻璃制品退火成型的冷却平台。和传统的FDM 3D打印机不同，我们需要使用高温熔化玻璃，FDM 3D打印机可以使用线圈逐段融化，而玻璃只能放在坩埚炉中，使得整体结构需要较大承重。

2.2.2 玻璃熔炉

如图1所示，玻璃液体存储在坩埚炉D内，坩埚炉主要用于高温熔化玻璃，并在非打印时存储玻璃液体；

2.2.3 冷却平台及退火炉

在玻璃液体经过挤出头固化时，需要有冷却平台将玻璃液体降温从而实现固化。同时，也需要对成型的物体进行退火保温，防止玻璃的碎裂。

其主要工作原理如下：

玻璃原料放置在坩埚炉D中，通过高频线圈E可以实现快速加热，融化玻璃。为了排除玻璃杂质及其他空气，通过搅拌棒G不断搅拌，排除气泡。玻璃液体通过助推空气F，使得玻璃液体从液熔喷嘴C中流出，并在冷凝空气A和高频线圈B的作用下对玻璃液体降温，并在冷却平台H上实现退火，形成玻璃制品。

2.3 技术方案特点

本文所提出的玻璃3D打印技术方案有以下特点：

（1）通过加热线圈可以快速实现玻璃的融化，并且恒温存储玻璃液体。玻璃加热融化需要一定的时间周期，我们设计的技术方案可以在需要打印的时候及时挤出玻璃液体，提高工作效率；

（2）控制速度灵敏，通过存储高温玻璃液体的方式可以在很短时间内挤出玻璃液体，进行打印工作；

（3）支持各种情况下的玻璃制品打印，保证玻璃制品美观，而其他几种方式很难支持连贯造型的玻璃制品打印。

3 总结与展望

本文提出一种新型玻璃3D打印技术方案，主要基于传统3D打印技术熔丝堆积（FDM），将玻璃原料放入坩埚炉内，使用高频线圈加热等方案将玻璃原料融化为液体；然后利用惰性气体挤出玻璃液体到冷却平台，采用逐层堆积的方式形成物体；并通过退火炉实现退火降温，最终打印成型的玻璃制品。该方案和現有的玻璃3D打印方案相比，速度快，精度高，能实现更好的打印效果。

玻璃3D打印是一个巨大的市场，我们会在玻璃3D打印原型机的基础上进一步研发，设计适合工业化生产的玻璃3D打印机，推广到玻璃制造行业，提升玻璃制造效率和成品率，促进整个玻璃行业的快速发展。

（通讯作者：王跃宣）

参考文献

[1]Hideo Kodama.A Scheme for Three-Dimension Display by Automatic Fabrication of Three-Dimensional Model.IEICE TRANSACTION on Electronics，vol.J64-C，No.4，pp. 237-241，April，1981.

[2]Charles W.Hull.Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. Patent，US4575330A.

[3]Chee Kai Chua，Kan Fai Leong， Chu Sing Lim.Rapid Prototyping. World Scientific.2003：124.ISBN 9789812381170.

[4]R.Jones，P.Haufe，E.Sells，P.Iravani，V.Oliver，C.Palmer，A.Bowyer.Reprap-the replicating rapid prototype. Robotica，29（01），177-191，2011.

[5]Guy Rundle.A revolution in the marketing.Affirm press.2014.IBSN 9781922213303.

[6]Ben Wittbrodt，Joshua M.Pearce.The effect of PLA color on material properties of 3D printed components. Addictive Manufacturing.2015-10-01， 8：110-116.

[7]Ian Gibson， Paulo Jorge Bartolo. History of stereolithography. stereolithography：Materials， Processes，and Applications，41-44， 2011.

[8]Chuck Hull.On stereolithography. Virtual and Physical Prototyping， Vol 7，2012.

[9]C.Deckard.Method and apparatus for producing parts by selective sintering.Patent，US4863538，1989.

[10]Alex Lou，Carol Grosvenor.Selective laser sintering， birth of and industry.The University of Texas， 2012.

[11]Envision Tec.Technology overview DLP process.http：//envisiontec.com/technology-overview，2013.

[12]Arif Sirinterlikci，Keith G.Morgan， Christopher Steven Kremer，Bruce Allen Barnes.A capstone project on design and development of a Digital Light Processing 3D printer. 122nd ASEE Annual Conference & Exposition， 2015.

[13]G.Marchelli，R.Prabhakar，D.Storti， M.Ganter.The guide to glass 3D printing：developments，methods， diagnostics and results.Rapid Prototype Journal，17（03）：187-194， 2011.

[14]M.Fateri，M.Khosravi.On-site additive manufacturing by selective laser melting of composite objects. Concepts Approach Mars Explor.2012.

[15]S.Klein， S.Simske，C.Parraman，et al.3D printing of transparent glass. HP Tech Rep.2012.

[16]Micron E.M.E.Ltd.Breakthrough in 3D printing glass.http：//micron-eme.com/blogs/news/34473924-breakthrough-in-3d-printing-glass， 2015.

[17]John Klein，Michael Stern，Giorgia Franchin，Markus Kayser，Chikara Inamura，Shreya Dave，James C. Weaver，Peter Houk， Paolo Colombo， Maria Yang，Neri Oxman.Additive manufacturing of optically transparent glass.3D Printing and Additive Manufacturing.2（03）：92-105， 2015.

作者簡介

顾钊铨（1989-），男，博士学位。现为香港大学博士后。主要研究领域为无线网络和分布式计算等。

通讯作者简介

王跃宣（1975-），女，博士学位。现为浙江大学计算机科学与技术学院教授。主要研究领域为网络科学、量子网络和系统科学等。

作者单位

1.香港大学计算机学院 香港特别行政区 999077

2.中国美术学院 浙江省杭州市 310002

3.北京乐轩锐蓝科技有限公司 北京市 100085

4.浙江大学计算机科学与技术系 浙江省杭州市 310058

推荐访问： 玻璃 方案 打印