3D打印技术最初源于麻省理工学院的研究工作，近年来迅速拓展，已涵盖塑料和金属等多种材料。与此同时，3D打印机的成本已降至足以使其成为家用消费品的水平。
如今，一支麻省理工学院研究团队开辟了3D打印的新前沿：能够打印光学透明的玻璃物体。
该新系统的相关研究发表于《 Journal of 3D Printing and Additive Manufacturing》，由麻省理工学院媒体实验室副教授Neri Oxman、麻省理工学院玻璃实验室主任Peter Houk、麻省理工学院研究人员John Klein和Michael Stern，以及另外六人共同开发。
其他团队也曾尝试3D打印玻璃物体，但一大障碍是熔化该材料所需的温度极高。有些团队使用细小的玻璃颗粒，通过一种称为烧结的技术在较低温度下将其熔合在一起。但这类物体结构脆弱、光学上浑浊，失去了玻璃最理想的两项特性：强度和透明度。
麻省理工学院团队开发的高温系统保留了这些特性，所打印的玻璃物体既坚固又完全透光。与市场上现有的其他3D打印机一样，该设备可以打印计算机辅助设计程序创建的设计，几乎无需人工干预即可生成成品。
在当前版本中，熔融玻璃取自传统玻璃吹制窑炉后，被装入设备顶部的料斗。完成后，成品必须从其组装所在的移动平台上切割分离。
运行时，设备的料斗以及玻璃挤出成形所经过的喷嘴，均保持在约1900华氏度的温度，远高于其他3D打印所用的温度。发光的熔融玻璃从喷嘴流出，在平台上盘绕成形，边冷却边硬化，其流动状态类似蜂蜜。
研究人员面临的一项挑战是：既要让玻璃细丝保持足够高的温度，使结构的下一层能够与之黏合，又不能温度过高，以免结构塌陷成无形的块状物。最终，他们设计了三个可以独立加热至所需温度的部件：用于盛放熔融玻璃原料的上部储料腔、位于该腔底部的喷嘴，以及打印物体逐层堆积成形的下部腔室。
Klein表示，该构想最初是增材制造课程中的一个项目；当初步工作显示这一想法颇具前景时，他和其他人决定进一步完善它。但这仍是一个漫长而费力的过程，需要大量反复试错。
“玻璃本身就是一种极难加工的材料，”Klein表示：其黏度会随温度变化，因此在工艺的各个阶段都需要精确控制温度。
Oxman表示，这一新工艺可能使人们前所未有地控制可制造的玻璃形状。
“我们可以设计并打印具有可变厚度和复杂内部结构的部件——这与玻璃吹制不同，后者的内部特征反映外部形状，”Oxman解释道。她还举例补充说：“我们可以控制太阳光透射率。……与压制或吹制的玻璃部件不同，后者必然具有光滑的内表面，而打印部件的内外表面都可以具有复杂的表面特征，这些特征可以充当光学透镜。”
Oxman补充说，她预见该工艺将可用于制造大得多的结构。
“我们能否超越现代建筑中将形式与功能割裂开来的传统，生成一种既具结构性又具透明性的一体化建筑外壳？”她问道。“因为玻璃既具结构性又具透明性，所以相对容易将结构性能与环境性能整合到单一的一体化外壳之中。”
Houk列举了推进该研究的几个额外方向。其一是为系统增加压力——无论是通过机械柱塞还是压缩气体——以获得更均匀的流动，从而使挤出的玻璃细丝宽度更加一致。此外，后续工作还将聚焦于玻璃着色，团队已在有限的测试中证明了这一点的可行性。
Klein表示，该打印系统是麻省理工学院灵活的院系界限所促成的跨学科工作范例——本项目涉及媒体实验室、机械工程系以及麻省理工学院玻璃实验室的团队成员，后者隶属于材料科学与工程系。
在麻省理工学院，研究团队的其他成员还包括Markus Kayser、Chikara Inamura和Shreya Dave。此外，哈佛大学Wyss受生物启发工程研究所的James Weaver，以及意大利帕多瓦大学的Giorgia Franchin和Paolo Colombo也加入了该团队。
本文与 MIT News合作发布。发表不代表世界经济论坛认同文中观点。
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作者：David L. Chandler为MIT News撰稿。
图片：2014年台北国际电脑展（Computex）期间，Aurora的3D打印机F1在台北南港展览馆（TWTC Nangang exhibition hall）打印出一个人物模型。REUTERS/Pichi Chuang
