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3D打印玻璃工艺

发布日期：2018-08-02 0 1533

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。

玻璃3D打印设计方案

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。

玻璃3D打印方案

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：

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。

玻璃熔炉

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；

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。

技术方案特点

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。

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