多材料3D打印玻璃可用于軍事眼鏡及VR護目鏡

來自美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員已使用多種材料的3D打印技術創建了量身定制的漸變折射率玻璃光學器件，可以制造出更好的軍事眼鏡和虛擬現實護目鏡。該研究成果2020年11月18日發表在<Science Advances>上。

▲定制GRIN光學器件的未來自動化生產過程的藝術性渲染，展示了量身定制的光學預制件的多材料3D打印，通過熱處理轉換為玻璃，拋光以及檢查表示光學器件的折射率梯度。圖片來源：Jacob Long和Brian Chavez

常規的鏡片通常由均勻組成的塊狀材料制成，并且光折射的控制由鏡片的厚度和表面曲率決定。球面、圓柱、非球面和類似的鏡片很容易通過成熟的制造方法來生產，例如基于拋光和基于CNC（計算機數控）的精加工。此外，可以制造自由曲面光學器件，其中包含沒有平移或旋轉對稱性的自定義復雜曲率，但由于對表面拋光精度的嚴格要求，使用范圍仍然受到限制。

梯度折射率(Gradient refractive index,GRIN)光學器件提供了傳統成品光學器件的替代方案。GRIN光學器件包含材料成分的空間梯度，而空間梯度又提供了材料折射率的梯度，從而改變了光在介質中的傳播方式。GRIN透鏡可以具有平坦的表面形狀，但仍具有與等效常規透鏡相同的光學功能。

由于眼鏡片的發展，GRIN光學器件已經存在于自然界中。在大多數物種中都可以找到例子，其中整個晶狀體的折射率變化受結構蛋白（晶狀體蛋白）濃度變化的影響。在魷魚眼中，不同大小的晶狀蛋白形成不同密度的凝膠。折射率的這種梯度與曲率相結合，可以使鏡片自然地補償球差。*在空間上控制材料成分的功能以及因此而來的光學功能為GRIN光學設計提供了機會。例如，可以將多個功能設計到單個光學器件中，例如將聚焦與常見光學像差（球形、彗形、像散等）的校正相結合。另外，已經表明，使用結合表面曲率和折射率梯度的光學器件具有減小光學系統的尺寸和重量的潛力。

已經有幾個研究團隊證明了透明玻璃的3D打印。然而，大多數這些技術尚未證明具有梯度成分和折射率的玻璃的多材料印刷。在該研究中，研究人員能夠通過使用3D打印的直接墨水書寫（DIW）方法，主動控制將兩種不同的玻璃糊或“墨水”的比例直接混合在一起，從而調整材料成分的梯度。使用DIW制成成分不同的光學預成型件后，然后將其致密化為玻璃，并可以使用常規光學拋光進行精加工。

該研究團隊表明可以使用多材料DIW生產GRIN玻璃光學器件。該系統配備了一個有源微混合器，該混合器能夠在線混合兩種不同的墨水，從而可以對具有成分梯度的生坯進行3D打印，然后將其合并為具有定制的折射率空間分布的玻璃光學器件。

▲圖1.DIW法梯度折射率二氧化硅-二氧化鈦玻璃的添加劑制造工藝。

（A)具有不同二氧化鈦摻雜劑濃度的兩種硅基油墨在微流體噴嘴中在主動剪切下混合。組成由兩種油墨各自的流速決定。（B)對3D打印的生坯進行熱處理，以去除所有有‘機’成分并致密化為玻璃，然后拋光平整。這幅圖像中的粉紅色是一種有‘機’染料添加到一種墨水中用于可視化的結果。（C)向石英玻璃中加入二氧化鈦增加了折射率(41,42)；結果，3D印刷玻璃包含由組成梯度規定的折射率的空間變化。重量%，重量%；ppm，百萬分之一。（D)可以設計和生產各種形狀、尺寸和光學功能的GRIN玻璃光學器件。所有圖像中的網格間距為1毫米。照片編號:Nikola Dudukovic，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室。

由摻雜二氧化鈦的石英玻璃制成的一系列拋光3D打印漸變折射率透鏡。網格正方形的每一側均為1毫米。圖片來源：勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

通過控制兩種墨水的相對流速，可以將所需的濃度曲線編程到相關路徑中。這種方法可以打印功能漸變的多材料3D對象。

這項新技術可以在平板玻璃組件中實現各種常規和非常規的光學功能（無表面曲率），從而在環境穩定的玻璃材料中提供了新的光學設計多功能性。這項新技術還可以減輕光學系統的重量。例如，士兵在戰場上使用的光學設備輕便至關重要。

“這是我們通過3D打印將兩種不同的玻璃材料結合起來，并展示了它們作為光學元件的功能。盡管已針對GRIN進行了演示，但該方法也可用于定制其他材料或光學特性，”本研究一作Dylla-Spears說。

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