3D 列印再突破!玻璃陶瓷新技術問世,深具光學航太潛力

各位讀者對 3D 列印的印象是什麼呢?大部分應該直覺想到各式各樣的塑膠 3D 列印品吧!但其實 3D 列印的材質相當廣泛。最近在「玻璃」與「陶瓷」兩個一般認為很易碎的材料,就在技術上有相當大的突破,並能廣泛運用在光學與航太用途上!
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各位讀者對 3D 列印的印象是什麼呢?對大部分人來說,應該直覺就是想到 ATOMFlux 或是 XYZprinting 等用塑膠原料,加熱印出的 3D 列印模型吧!的確在大多人的生活中,多半還是最常看到塑膠、樹脂等材料。但其實紙張、食物、金屬,甚至到藥品、美妝或混凝土都大量被使用在工業用途上。而在 2015 年末與 2016 年初交際之餘,「玻璃」與「陶瓷」這兩項我們印象中易碎的材料也有新技術問世,可算是這個時間點 3D 列印技術最大的突破了!

MIT 的新技術:玻璃「縫紉機」

先前 2015 年 8 月麻省理工學院媒體實驗室 (MIT Media Lab) 就已研發出以玻璃為素材的 3D 列印技術,透過特殊設計的加熱窯環境與噴嘴,能用類似傳統塑膠 3D 列印的方式將玻璃「印」成自己想要的形狀。不僅如此,HP 也正在從事相關的 3D 列印玻璃研發工作。

而 MIT 最近與數學家 Pierre Thomas Brun 合作,借重其流體動力學的專長研發出了新的「熱熔玻璃縫紉機」技術,透過精心設計的數學模型,以螺旋狀印出一條一條的環狀或波浪狀的「玻璃束」,再由這些玻璃束組成更複雜的 3D 物體。

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▲環狀的玻璃束結構可讓 3D 列印玻璃成品強度大增,Photo Credit: MIT Media Lab

Brun 博士並表示這樣的新技術,其實概念上比較接近縫紉用一條一條線組成布料,所以才用「縫紉機」(sewing machine) 命名。跟過去直接堆疊的方式列印,這種技術可以讓不同層的玻璃束以更複雜的方式結合,估計能有效增強玻璃 3D 列印製品的強度,並可以運用在雕刻或者其他 3D 列印的相關應用上,預計能改善光導纖維的製程與降低成本。

▲影片示範比起傳統推疊列印法,環狀玻璃束結構更強

強度高達舊技術 10 倍!深具航太價值的 3D 陶瓷列印

比起玻璃,陶瓷的 3D 列印技術其實發展的更早,目前市面上已經有用高壓噴出瓷粉,再上黏結劑最後進窯燒出成品的機型出現了,像曾在鶯歌陶瓷博物館展出的 HDfab 就屬這一類。不過,過往用陶瓷粉的 3D 陶瓷列印成品大多在經過加熱手續時,很容易因密合度不夠產生裂縫。但現在由美國 HRL 實驗室開發的新材料技術,可以有效解決這個問題。

HRL 實驗室是由波音與通用汽車聯合出資的公司,專門針對航太與交通工具研發新型材料。這次他們發明出了一種由矽、氮與氧組成的 新陶瓷聚合材料 (preceramic polymers),做為 3D 列印機的印出材料。這種材料製成的成品再經過加熱後,就會直接轉變成結構相當細緻的陶瓷。

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▲新的陶瓷列印成品可承受攝氏 1700 度以上的高溫,相當具航太科技價值

這種技術不但可以避免產生裂縫的缺點,讓強度達到舊有技術的 10 倍,並能讓成品承受 1700 度以上的高溫,對已經廣泛運用陶瓷材質的航太產業來說無疑深具意義。甚至美國國防高等研究計劃署 (DARPA) 已經與該公司簽訂合約,用以開發火箭、飛機、衛星或太空梭的零組件上。

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