玻璃上也可以印刷



金属、混凝土和塑料都是可以打印的材料。但是玻璃呢?公司、研究所和大学正在研究各种可能性,并且已经能够从实验程序中获得经验。此处使用的最常见材料是石英玻璃或硼硅酸盐玻璃,而使用钠钙玻璃的应用则不太常见。印刷玻璃可用于许多应用,这就是为什么在研究中投入时间和金钱当然是值得的。

玻璃在建筑中变得越来越流行,因为它被认为是一种现代而优雅的材料。对可以承担附加功能的大型定制玻璃幕墙日益增长的需求正在激励设计师。玻璃前面板不仅必须美观,而且安装牢固且耐用,并且能够永久承受它们所承受的巨大负载。然而,可见的接缝和负载吸收点破坏了均匀、透明的立面的形象。通常,安装窗格需要在各个元件上钻孔,这存在损坏玻璃并因此降低其强度的风险。另一种选择是使用粘合剂来连接组件,但这有一个缺点,即由于紫外线辐射,粘合剂材料比连接的部件老化得更快。另一方面是具有不同机械和热性能的连接元件用于钻孔和胶合接头。使用来自 3D 打印机的玻璃作为接合材料,例如用于点固定,可以将具有相同属性的两种相同材料接合在一起。这避免了材料之间不同的热膨胀系数,并且使用钻孔或粘合剂固有的风险不再是一个因素。

达姆施塔特技术大学的玻璃能力中心(ISM+D 和 MPA IfW)正在研究如何使用增材制造(3D 打印)在浮法玻璃上形成物质对物质的结合,同时提高其刚性。这里的科学家正在测试熔融沉积模型,其中包括其他方法。他们的目标是在未来使玻璃面板的面积达到 3.25 x 20 米。两个重要的因素是工艺温度和玻璃的粘度。为了在窗格和玻璃结构之间形成接合部,必须将窗格加热到显着超过接合处玻璃的转变温度。如果施加的热量不足,结构将不会连接在一起,而如果温度太高,则会发生不必要的变形。接头中的内部张力会降低其强度和支撑负载的能力。脆性材料行为以及个别工艺和材料参数的组合也会对结果产生重大影响。然而,绝对有可能使用 3D 打印以所需的几何形状制造具有吸引力和透明外观的均质接头。达姆施塔特工业大学的科学家们还希望找到如何将这一过程转化为自动化过程的答案。

在 glasstec 2021现场观看玻璃技术的参观者还可以期待进一步的研究项目,因为科学家们计划展示带有玻璃支架的 3D 打印玻璃楼梯。

就像玻璃一样

在比较玻璃和塑料的材料特性、环境影响和原材料特性时,玻璃在所有方面都名列前茅。不幸的是,熔化玻璃既复杂又昂贵,这就是该行业部分偏爱塑料的原因。几个世纪以来,用于加工玻璃的一般方法几乎没有改变,最常见的是研磨、抛光或蚀刻。Glassomer GmbH 开发的材料和技术首先能够在室温下成型聚合物纳米复合材料,然后在 700°C 到 1300°C 之间的温度下将它们转化为玻璃。Glassomer®是一种硅酸盐纳米复合材料,可以从固体、糊状或液体状态制造出高纯度的石英玻璃。Liquid Glassomer 可用于在室温下通过浇铸或立体光刻复制组件。Solid Glassomer 可以使用传统的减材技术(例如钻孔、铣削和车削)或什至用刀进行结构化。热聚合物转化技术,如纳米压印、热成型或卷对卷复制也是可能的。

Glassomer 组件在化学和物理上与商业石英玻璃相同。它们在可见光、紫外和红外光谱中具有相当高的光学透明度,以及相同的热稳定性和化学稳定性以及机械强度。起始材料中的额外固体有助于防止玻璃在制造过程中收缩。也可以制造带有螺纹的部件。简单的技术(例如铸造)可以实现简单的复制,并且可以使用简单的 3D 打印机创建更小的组件。更复杂的任务需要高分辨率的微立体光刻技术。使用此程序,可以创建直径仅为数十微米的极细结构而无需过渡。Glassomer 是第一个能够使用聚合物加工技术构建高质量石英玻璃的产品。复制精确到几微米,所得玻璃的表面粗糙度为几纳米,满足光学和光子学应用的需求。用户可以使用牺牲模板和散装材料中的极细结构在主体中创建空隙。

先熔化,然后打印

位于耶拿的Günter Köhler 连接技术和材料测试研究所(ifw Jena) 与 FH Aachen 应用科学大学合作,分析工艺链中硼硅酸盐和石英玻璃粉末的激光粉末床融合 (L-PBF) 3D 打印。该程序的优点包括自由几何形状、中小型生产运行中的低生产成本以及玻璃体的可比组件特性。科学家们根据玻璃粉末的几何、热和机械物理特性对它们进行了表征,并分析了它们如何在 L-PBF 工艺中以不同的激光波长进行加工。为此,工厂技术适应了使用 CO 2加工玻璃的条件激光辐射。努力是值得的,因为玻璃满足玻璃设备或化工厂建设中金属无法满足的要求。玻璃具有耐高温性,因此需要高能量输入才能熔化,并且是不良的热导体。科学家们希望研究他们如何克服这一因素以及在 1,064 μm 波长处的吸收不良。他们已经能够证明通常可以处理玻璃粉末并定义工艺参数,例如激光功率、扫描策略、粉末涂层厚度、腔室加热等等。研究人员制造了由硼硅酸盐和石英玻璃制成的测试样品,随后对其质量进行了评估。由于热团聚,这些参数强烈依赖于试样的几何形状。回火可以帮助提高玻璃部件的质量。进一步的实验旨在测试与 L-PBF 参数相关的孔隙率、粗糙度和密度,并阐明组件的可能应用领域。

石英和硼硅玻璃固有的耐热性和耐化学性使它们成为玻璃设备构造、微流体、微电子、光学和医疗技术中经过验证的材料。ifw Jena 的进一步研究项目旨在开发基于层压物体制造 (LOM) 的增材工艺,以实现更多的工业应用。在这个项目中,复杂的玻璃部件——例如带有内腔——是用传统制造技术无法制造的。该程序旨在结合激光切割和扩散焊接。除了石英玻璃,CO 2激光切割 (λ = 10.6 µm) 会导致切割边缘区域的玻璃成分发生变化,热膨胀系数发生变化并形成珠粒。研究目标是为各个玻璃定义工艺参数,以消除这些影响。

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