玻璃是日常生活中的一種常見的材料，價(jià)格低廉、用途廣泛，不僅可以用在建筑上，還可以用在家裝、工藝品制造等方面。隨著現(xiàn)代科技水平的迅速提高和應(yīng)用技術(shù)的日新月異，尤其是與計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料技術(shù)、設(shè)計(jì)學(xué)的完美結(jié)合，使玻璃制造技藝達(dá)到有史以來的新高度。
玻璃的由來
世界上公認(rèn)最早的玻璃制造者為古埃及人。玻璃的出現(xiàn)與使用在人類的生活中已有四千多年的歷史，在4000年前的美索不達(dá)米亞和古埃及的遺跡里，都曾有小玻璃珠的出土。公元12世紀(jì)，出現(xiàn)了商品玻璃，并開始成為工業(yè)材料。18世紀(jì)，為適應(yīng)制造望遠(yuǎn)鏡的需要，出現(xiàn)了光學(xué)玻璃。1874年，比利時(shí)首先制出平板玻璃。1906年，美國制出平板玻璃引上機(jī)，此后，隨著玻璃生產(chǎn)的工業(yè)化和規(guī)模化，各種用途和各種性能的玻璃相繼問世。現(xiàn)在，玻璃已成為日常生活、生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要材料。
傳統(tǒng)的玻璃制造工藝包括塑模、成型、吹制、電鍍或燒結(jié)等工序，最后的產(chǎn)品質(zhì)量與制造技術(shù)水平密切相關(guān)。從古埃及發(fā)現(xiàn)制造玻璃珠的成型工藝，經(jīng)過羅馬時(shí)代發(fā)明的金屬管吹制工藝，到現(xiàn)代能造出大尺寸平板玻璃的皮爾金頓浮法工藝，玻璃制造技術(shù)上的每一次新突破都是長期實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新的結(jié)果。
3D打印革新玻璃制造工藝
其實(shí)，基于玻璃的硬度、光學(xué)品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性和可用性等因素，玻璃材質(zhì)在3D打印領(lǐng)域有著非常獨(dú)特的潛在價(jià)值。
玻璃3D打印可以追溯到2010年，Shapeways公司在2010年4月首次宣布3D打印玻璃，打破了傳統(tǒng)玻璃設(shè)計(jì)的規(guī)則。
接下來不斷有3D打印玻璃的技術(shù)出現(xiàn)。2015年6月，3D打印公司Micron3DP宣布，他們在使用玻璃材料的FDM（熔融沉積成型）3D打印技術(shù)開發(fā)上獲得了重大突破。通過不斷試驗(yàn)，Micron3DP公司終于把材料溫度提升至850攝氏度之后，成功地實(shí)現(xiàn)了玻璃3D打印，而像那些實(shí)驗(yàn)室專用的玻璃器皿，公司還能夠把該材料的熔點(diǎn)提升到1640攝氏度。
2015年8月，美國麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室中的介導(dǎo)物質(zhì)團(tuán)隊(duì)，與玻璃實(shí)驗(yàn)室連手，開發(fā)出3D立體打印玻璃的方式，將3D打印機(jī)改造成類窯爐的容器，能直接在打印機(jī)內(nèi)部加熱、塑型、冷卻，即便手拙的人也有辦法在玻璃創(chuàng)作世界中打出一片天地。這一玻璃制作工藝被稱為G3DP(Glass 3D Printing)技術(shù)。
玻璃3D打印是一種全新的3D打印應(yīng)用探索，眾多科研機(jī)構(gòu)和組織都在嘗試在這一領(lǐng)域的突破。弗吉尼亞理工大學(xué)和羅得島設(shè)計(jì)學(xué)院在這方面取得了重大進(jìn)展。他們通過美國的首家聯(lián)合玻璃機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（GRL）開發(fā)出了一種基于機(jī)器人的玻璃3D打印工藝，并已經(jīng)利用其得到了一些有趣的成果。
玻璃3D打印如何成型？
玻璃3D打印與其他類型3D打印工作原理如出一轍。不同之處在于材料的選擇。目前在玻璃3D打印領(lǐng)域頗具前景的成型工藝包括G3DP技術(shù)和六軸玻璃打印。
G3DP是一種融合了當(dāng)今尖端科技與傳統(tǒng)玻璃制造工藝的全新技術(shù)，能夠創(chuàng)建出非常復(fù)雜的3D打印玻璃結(jié)構(gòu)。它的工作原理其實(shí)非常簡單：首先，機(jī)器頂部的燒窯會(huì)以1900ㄈ的高溫將放入其中的玻璃融化。然后，熔融態(tài)的玻璃會(huì)通過漏斗流進(jìn)下方以氧化鋁-鋯-二氧化硅制成的類似FDM型3D打印機(jī)的噴嘴，再被堆積到構(gòu)建臺上，最后逐步冷卻成型。期間如果想要停止打印，只需利用壓縮空氣降低噴嘴的溫度即可。
配置方面，G3DP打印機(jī)采用了80/20鋁材和方鋼管制成的框架，極為堅(jiān)固耐用。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上，它安裝有3臺獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)和絲杠門系統(tǒng)。至于控制系統(tǒng)，則是采用了1塊Arduino板和一塊RAMPS 1.4 Arduino Shield。總的看來，它的機(jī)械系統(tǒng)與目前常見的笛卡爾式桌面級3D打印機(jī)非常類似。
相對而言，六軸玻璃打印系統(tǒng)雖然有些粗糙和簡陋，但卻十分有趣。它采用的方式是將熔融狀態(tài)的玻璃置于上方的耐高溫坩堝中，任由其在重力作用下流出，然后通過算法控制機(jī)械臂，令其以設(shè)定好的模式移動(dòng)構(gòu)建臺，最后得到特定形狀的玻璃制品，而其它工藝采用的方式大多是上方的機(jī)械式擠出機(jī)負(fù)責(zé)擠出熔融態(tài)玻璃，下方的構(gòu)建臺固定。
玻璃3D打印創(chuàng)新應(yīng)用
得益于玻璃3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的玻璃生產(chǎn)企業(yè)開始將目光轉(zhuǎn)向這一前沿科技，科學(xué)家們對于玻璃3D打印應(yīng)用的設(shè)想也變得越來越不可思議。
Glaston公司致力于生產(chǎn)用于建筑、家電、太陽能和汽車等領(lǐng)域的“世界上最好的熱處理玻璃”，并提供相關(guān)技術(shù)和服務(wù)支持。如今，公司決定為3D打印玻璃設(shè)立相應(yīng)項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)擴(kuò)張。
為了展示3D打印玻璃的能力，他們在米蘭舉辦的Vitrum玻璃博覽會(huì)上展示一個(gè)“最新的熱處理生產(chǎn)線的3D打印縮微模型”。玻璃鋼化是一個(gè)過程，玻璃板在一個(gè)有著大工業(yè)規(guī)模的爐式機(jī)器中加熱，然后迅速冷卻，從而產(chǎn)生增強(qiáng)后的玻璃制品。Glaston的新的熱處理生產(chǎn)線“Glaston FC1000”延續(xù)了“FC500”處理線的優(yōu)點(diǎn)，能3D打印出平滑、無暇的光學(xué)玻璃。另外，該機(jī)器在能源效率、低輻射以及玻璃熱處理容量方面的性能也得到了顯著增長。
玻璃3D打印同樣具備3D打印技術(shù)的諸多優(yōu)勢，沒有模具、形狀限制，解放設(shè)計(jì)者思想，任何創(chuàng)意想法都有可能從虛擬變成現(xiàn)實(shí)。
兩位俄羅斯博士Anuar Kulmagambetov和Vladimir Bodyakin正在著手研究用玻璃3D打印建筑。他們表示，比起常用的建筑材料混凝土，玻璃其實(shí)更加實(shí)用和靈活，特別是用于3D打印時(shí)，因?yàn)槿廴诤缶哂泻芨叩恼扯龋幌窕炷粒匦杌旌夏承╊~外的纖維或化學(xué)物質(zhì)才能在層層擠出時(shí)保證足夠的層間粘連性。而且，玻璃在熔融擠出成型后的固化速度非常快，密度也可以靈活掌控（最高可達(dá)4000千克/立方米），還可以具有良好的表面結(jié)構(gòu)、光反射性和導(dǎo)熱性。除此之外，玻璃還有許多其它優(yōu)點(diǎn)，比如環(huán)保，容易大量生產(chǎn)（能耗低），價(jià)格便宜，泛用性強(qiáng)，耐腐蝕，維護(hù)成本低廉等。據(jù)兩位博士透露，他們已經(jīng)造出了這種玻璃3D打印機(jī)的原型，并且配備有一個(gè)30升的熔爐。而最近，他們正計(jì)劃與一家公司合作進(jìn)行打印墻壁的實(shí)際測試。
3D打印玻璃可以用于藝術(shù)品加工制作，瑞典的一個(gè)陶藝家Jonathan Keep與藝術(shù)研究員Charles Stern開始了一個(gè)項(xiàng)目，即利用3D打印技術(shù)將陶瓷與玻璃結(jié)合吹制。單看成品大家可能覺得很簡單，其實(shí)這兩種傳統(tǒng)工藝是很難結(jié)合的，因?yàn)樵诩訜岬臓顟B(tài)下，粘土和玻璃具有不同的收縮和膨脹率。Jonathan Keep與Charles Stern針對這個(gè)問題同許多專家展開調(diào)查，最終才確定了方案，利用3D打印技術(shù)打印陶瓷，然后與玻璃進(jìn)行吹制。3D打印技術(shù)的應(yīng)用不僅僅是讓藝術(shù)更具創(chuàng)新時(shí)尚，更是可以用來克服傳統(tǒng)工藝所遇到的問題。
結(jié)束語：
很多人可能并不清楚使用玻璃材質(zhì)進(jìn)行3D打印意味著什么，報(bào)告顯示，地殼90%的成分是硅酸鹽礦物質(zhì)，也就是制造玻璃的主要原料，它們資源豐富、易于回收，同時(shí)不會(huì)污染環(huán)境，并且玻璃制品的質(zhì)感更棒、價(jià)格便宜，顯然是非常符合消費(fèi)者預(yù)期的制品。如果能夠?qū)⒉ＡР馁|(zhì)應(yīng)用到3D打印領(lǐng)域，它有可能改變整個(gè)玻璃生產(chǎn)鏈，推動(dòng)和支持未來制造業(yè)的發(fā)展方向。考慮到全球?qū)ΣＡе破吠⒌男枨笠约皩€(gè)性化設(shè)計(jì)的渴望，這項(xiàng)技術(shù)必定大有可為。
