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3D打印如何在光学上应用?

2016-05-25 10:30
龙凰
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  3D打印又称“增材制造”技术,属于快速成型技术的一种,其以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过打印的方式来构造物体的技术。

  相对于传统的切削加工技术,增材制造是一种“自下而上”的制造方法,其优势是可快速精密地制造出形状复杂的零件,从而大幅缩短加工周期,所制产品结构越复杂,其优势就越明显。

  随着技术的不断提升,3D打印以其全新的制造理念和技术优势,迅速成为制造技术领域重要的发展方向。3D打印作为前沿性、先导性的智能制造技术,将引领传统生产方式和生产工艺的变革,有望成为推动新一轮工业革命的源动力。

  光学制造业涵盖了一系列产品,从工业装置中高透明度的部件,到光线柔和的床头灯,从眼镜镜片,到相机镜头,无一不包。尽管在很多人的概念里,照明、光学仪器制造、玻璃制造等已经是相当“传统”的行业,但这些行业的背后,也正在酝酿着一场“真正意义上的革命”——3D打印走进了光学应用。

  要知道,一个好的光学元件,价格要十几万元甚至几十万元,这对于光学产业来说,简直是一个“大地震”。今天,小编为你开启3D打印在光学应用中的神奇之门。

  荷兰LUXeXcel目前是世界上唯一一家能够通过3D打印机直接打印出光学镜片的公司。该公司发明了一种使用3D打印制造功能性光学产品及其原型的技术——Printoptical,并在此基础上推出了一种光学产品的增材制造平台和新型的LUX-Opticlear,该公司可3D打印最高达20毫米厚的光学产品。

  Printoptical3D打印技术本质上是一种“从CAD设计到光学部件”的一站式技术,其打印出来的光学部件不需要进行像抛光、研磨和着色这样的后处理。他们的技术主要基于成熟的宽幅工业喷墨打印设备。可通过紫外线固化的透明聚合物液滴喷射出来,然后被集成在打印头上的强紫外线灯固化,最终可以形成各种各样的几何形状,包括透明棱镜或透镜、以及全彩色3D图形和纹理等。

  LUXeXcel指出,3D打印在光学行业中拥有两大优势:加快交付速度、定制化。

  一、速度。从设计到交付,3D打印的光学镜片、部件,甚至整个照明装置都可能在一天之内制作完成,printoptical过程不需要模具,模具或后处理,如抛光、研磨、或着色,交货时间大大减少。另外,在保证在生产时间内完成的同时,还兼顾了客户的设计形状和复杂性。3D打印的光学灯具也因此更具成本效益。

  二、定制。在激烈竞争的市场中,个性化无疑是产品突围而出的最佳策略之一。3D打印能够实现本地化、按需生产,让消费者充分享受定制化制造的便利。另一方面,也能让设计师和工程师们不断迭代和持续改进产品设计方案、生产出新型的灯具、灵活调整光的分布——此时,他们可以不再依赖于现有的标准、现成的零件。

  据了解,去年9月,LUXeXcel已经与3D打印服务平台及软件开发商trinckle 3D合作,客户只需创建出自己的设计方案,并输入焦距长度和直径,便可生成3D效果预览图。

  3D打印在光学部件制造,见证了世界上最薄LED灯的诞生,石墨烯3D打印则叩开了有机LED光源设置即打即用的大门。

  公司不久前为他们的首个3D打印机设计——Romulus III——递交了一份临时专利申请。这是一款先进的多功能3D打印机。有趣的是,根据专利申请的描述,Romulus III还可以使用一种独特的工艺3D打印有机LED光源,而且一打印出来立即就能用。

  美国3D打印上市公司ProtoLabs旗下子公司Protomold开发出了一种可3D打印的光学级液体硅橡胶。Protomold表示,这种光学级LSR呈透明液体状,质地柔软,可在许多光学应用中取代玻璃材料。

  ProtoLabs公司LSR产品经理Jeff Schipper表示,随着光学级LSR的出现,可以在制造过程中将产品部件合而为一进行生产,从而降低成本和整体库存。此外,这种材料所具备工程级热固性,长期暴露高温或紫外线环境中也不会失去透明度,工程师能够用它为照明行业开发产品和零部件。这种光学LSR材料比玻璃和其他大多数塑料要轻得多,并且不易刮花及开裂。

  Proto Labs称,用LSR材料生成的3D对象透明度仅次于玻璃,他们能承受高瓦数LED产生的热量,同时还能保持足够的柔性。

  近期,德国斯图加特大学研究团队发布的一份研究显示,3D打印可以制造出更高的精度和再生产效率的微观光学部件。这一发现可能会对微光学部件的制造产生重要影响,并且有望制造出应用于传感器和通信设备的更微观的设备。

  据了解,他们研发的技术名为飞秒激光写入(femtosecond laser writing),研究人员称他们使用这种技术,在一根只有125微米直径(相当于人类的头发直径)的光纤中心直接制造了一个只有4.4微米小的光学元件。

  这种技术与其他的3D激光雕刻技术并无多大差别,只是打印层级已经达到了纳米级别,更稳定可靠。本质上,这种过程主要是将通过脉冲激光选择性硬化光敏树脂材料,随后去除未硬化的部分,就得到了微观光学部件的3D模型。

  瓦克化学(WackerChemie)成立了瓦克有机硅事业部WACKER SILICONES作为其硅胶生产的分支,并与德国产品开发公司Enders Ingenieure GmbH合作研发一种紫外光固化打印方法,可以把硅胶作为3D打印材料。因为硅胶是透明的,所以瓦克公司开发的这种特制硅胶也可以用于光学应用,例如3D打印定制隐形眼镜。

  他们最终开发出来的工艺类似于传统的3D打印技术,但使用的是玻璃打印床、以及一种的书的硅胶材料,该材料具有很高的粘稠度并且对UV光很敏感。在3D打印过程中,类似的喷墨打印机的打印头会在玻璃打印床上用硅胶的微小液滴铺设一薄层,然后用UV光对其进行硫化。

  每一个新的硅胶层铺设的同时其下一层被硫化,该过程重复进行,直到目标对象被3D打印完成。最终打印出来的对象具有光滑的表面,和传统制造出来的硅胶部件完全一样,是完全生物相容、具有耐热性和透明的。

  来自麻省理工大学玻璃实验室的Mediated Matter一直在MIT机械工程系、Wyss研究所和MIT玻璃实验室共同开发精密玻璃3D打印的先进工艺,他们创造出了令人难以置信的3D打印玻璃结构。

  这个玻璃3D打印机的工作方式其实很简单。机器的顶部基本上是一个小窑,用户通过这里把玻璃放进去。窑火的温度能够升至大约1900华氏度,很容易就将放置在内的玻璃熔化。打印机的下段有一个氧化铝—锆石—二氧化硅材质的喷嘴,其功能类似于FDM 3D打印机中的热端。

  窑炉中熔化的玻璃通过漏斗流下来,并通过喷嘴挤出到构建平台上,然后缓慢冷却变硬。如果使用者想要停止打印玻璃的话,只需使用压缩空气降低喷嘴的温度即可。结果表明,3D打印的对象的形状非常规整、准确。

  G3DP最大的优势就是可控制,甚至于用户还可以进行成品透明度、颜色、厚度、透射程度、反射甚至反射参数等的选择。

  2015年,Micron3DP宣布,在使用玻璃材料的FDM(熔融沉积成型)3D打印技术开发上获得了重大突破——首次使用热挤出机以液体形式打印玻璃材料。

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