3D打印是一項可以變革制造業的新興技術。通過數字模型生產三維實體，3D打印在近十年受到了社會各界的關注，越來越多的公司、研究機構研發新型3D打印技術及3D打印機，越來越多的行業開始使用3D打印提高生產效率，力推工業進步和發展。玻璃工藝是我國傳統文化的一個重要標志，玻璃制品也是人們日常生活中最為常見的類型。然而，傳統的玻璃生產工藝效率低，成品率差，難以完成復雜形狀的定制。3D打印這項技術和玻璃產業的結合，不僅可以大大提高玻璃生產的效率，提高成品率，還可以完成復雜形狀的打印，充分發揮玻璃藝術創作者的創作天賦，促進玻璃行業的快速發展。然而，玻璃3D打印和傳統3D打印相比難度更大，挑戰性更高。玻璃材質熔點高，玻璃液態固化成型需要精確的溫度控制等問題，均成為阻礙玻璃3D打印發展的難題。本文充分利用3D打印現有技術，基于熔絲堆積打印原理，提出一種新型玻璃3D打印方案，同時結合溫度和運動的精確控制，實現玻璃制品的打印。

【關鍵詞】3D打印 玻璃 熔絲堆積 打印機

1 引言

1.1 3D打印歷史及發展

3D打印是一項直接從數字模型通過材料堆積等方式來產生三維實體的技術。3D打印在很多時候也被稱為“增材制造”，區別于數字化制造中“減材制造”，3D打印主要通過耗材的堆積和增加，最終達到數字化模型的效果。

3D打印技術可以追溯到上世紀90年代。在1981年，名古屋工業研究所發明了光硬化聚合物的方法制造三維塑料模型，該方法為現在的光固化3D打印技術的前身。1986年，Chuck Hull發明立體光刻技術（stereolithography），用紫外激光固化高分子聚合物，然后將原材料逐層疊加起來，同時，Chuck Hull也為該技術申請了專利，3D打印正式走向商業用途。1988年，Scott Crump發明了熔融沉積建模法（fused deposition modeling，FDM），即通過加熱可熔性材料逐層堆積并生成三維物體的方法。該方法也成為了目前大多數桌面級3D打印機采用的技術。

在隨后的二十余年，3D打印逐步應用到制造、金屬加工等行業，但是其發展速度比較緩慢，還沒有快速走進人們的日常生活中。2005年，RepRap項目徹底激發了3D打印的發展潛力。該項目旨在研究機器進行自我復制，即快速打印自身RepRap - Replicating Rapid-prototype，主要打印大部分自身塑料組件。由于該項目從軟件到硬件等各種資料都免費和開源給廣大用戶，越來越多的用戶基于該項目拓展3D打印技術，并將該技術逐步商業化，也使得越來越多的行業接納3D打印并嘗試替換原有技術。例如，2010年世界第一輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee問世；2011年，世界上第一臺巧克力打印機出現；2012年，蘇格蘭科學家嘗試利用人體細胞打印人造肝臟組織。同時，國內在最近十年也迎來了3D打印的爆發。例如，北京航空航天大學利用3D打印技術制作飛機鈦合金起落架等關鍵構件；清華大學創業團隊結合3D打印機和食品制造，推出煎餅打印機一度受到社會各界追捧；成都高新科技區首創3D生物血管打印機，使人體器官再造稱為可能；太爾時代，弘瑞等國內3D打印機制造公司不斷普及工業級、桌面級3D打印機；樂軒銳藍、創必得等公司也在逐步推廣國產主板以及發展國產核心技術。數十年來，3D打印技術已經越來越為人們熟知，越來越多的行業開始使用3D打印技術替換原有制造技術，實現工業4.0的變革。

1.2 3D打印技術分類

雖然3D打印一直被認為是增材制造的一種方式，隨著數十年來科技的不斷發展，一些新型3D打印技術不斷涌現，其中主要包括：

熔融沉積法（Fused Deposition Modeling，FDM）：利用高溫將材料融化為液態，通過擠出頭擠出以后，液體會迅速發生固化，然后逐層堆積，在立體空間上排列形成三維的物體。但是FDM方法把三維模型分成數層，然后逐層打印，從而導致打印效率低，耗時長，精度和每一層的厚度相關。該方法的優點是成型的物體硬度高，打印尺寸可以調整，容易打印較大尺寸的物體。

光固化成型法（Stereo Lithography Apparatus， SLA）：利用激光照射液態光敏樹脂，固化分層從而制作三維物體。該方法大面積被3D System，EOS，西安交通大學和華中科技大學等使用。該方法速度很快，成型精度高，對于材料的利用率也很高，但是成型的物體比較柔軟，柔性高。

選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering， SLS）：該技術和SLA光固化類似，借助激光將物體固化為三維的整體。SLS使用紅外激光束，在電腦的控制下通過3D掃描器對每層的二維數據掃描固化。激光掃描過的粉末燒結成一定厚度的固體，而其余未被掃描的地方依然保持粉末狀，因此該方法被叫做選擇性激光燒結。

數字光處理（Digital Light Processing， DLP）：該技術和SLA類似，其區別在于通過數字光源將光敏樹脂進行固化，SLS方法中通過激光對粉末燒結形成固體，而DLP方法每次對整片區域掃描形成固體。該方法精度高，打印速度快，但是成型尺寸受到數字光源參數影響，因此一般情況下成型尺寸較FDM打印機小。

1.3 玻璃3D打印

玻璃工藝是我國傳統文化中的一個重要標志，通過手工將玻璃原料或玻璃半成品加工而成的具有藝術價值的產品。這個過程充分體現了人類的創造性和藝術性，它來源于生活，卻高于生活。玻璃是已知的最為古老的材料之一。4500年以前，美索不達米亞發明玻璃制造技術，主要用于制造玻璃珠等飾品；公元前1500年，埃及人制造出玻璃容器；公元前一世紀，敘利亞出現玻璃吹制技術；隨后經過長時間的積累，19世紀中葉，蓄熱室池爐用于玻璃熔制，用壓-吹法制造大口瓶；進入20世紀，玻璃工業已經達到機械化和自動化的程度。如今，玻璃工藝品也越來越受到人們的追捧，它為普通人家里的裝飾提升了品位與藝術感，在國內外都有巨大的消費市場。

3D打印技術通過材料堆積把三維模型變為實體，能有效地克服我們工業設計能力薄弱的問題，在提升我國工業領域產品開發水平的同時有助于攻克技術難關，形成新的經濟增長點。我們考慮通過引入3D打印技術實現玻璃3D打印，讓藝術創造者充分發揮他們的創造力，同時可以提高玻璃品的生產效率，降低玻璃品的創新成本。玻璃3D打印技術具有成型速度快，可打印復雜部件，個性化產品成本低等優點，將來可用于制備光纖連接器用的玻璃插針、電子玻璃器件等，是中華五千年文化與現代數字化制造技術的完美結合。把3D打印技術引入到傳統的玻璃工藝中，有利于產品創新和提高生產率，令玻璃品行業有顛覆性的突破，提高中國在全球3D打印的地位，有利于擴大我國科技的對外影響力。

雖然3D打印技術愈發成熟，玻璃3D打印卻并未受到廣泛關注，這是因為玻璃打印難度大，該材質和傳統的塑料、樹脂等材質不同，玻璃液體固化成型需要經過保溫退火等步驟，而在該過程中如果溫度控制不當等，會發生玻璃炸裂等，從而降低玻璃成型效率。

國內外對于玻璃3D打印的研究較少，據我們所知，目前主要包括：玻璃粉激光燒結，主要原理同金屬激光燒結技術相同，即是通過激光快速燒熔玻璃粉，使其粘接成型；玻璃絲燒熔堆積，其主要原理是用高溫噴槍融化玻璃絲，由3D打印機控制玻璃絲，堆積成型；目前最新的技術是在2015年8月由MIT glass lab和Mediated Matter 聯合公布的G3DP 項目，實現玻璃熔絲冷凝堆積方式透明玻璃3D打印，其打印原理是將融化的玻璃液通過打印頭流入打印機機體的退火爐內，玻璃溶液在退火爐內冷凝堆積， 3D打印機控制打印頭，打印出不同形狀的玻璃制品。本文基于傳統FDM技術，提出一種新型玻璃3D打印技術，并完成玻璃3D打印機原型。

2 玻璃3D打印設計方案

2.1 玻璃3D打印難點

和傳統的3D打印不同，玻璃3D打印從材質到成型過程等均有很大的難度和挑戰，其中包括：

（1）傳統3D打印的材質是聚乳酸（PLA），ABS樹脂等塑料材質，或者用于激光打印的粉末材質等，而玻璃3D打印中使用玻璃原料時，玻璃的熔點（約1000度）較塑料材質（約200度）高很多；而使用玻璃粉末會導致打印的物體顆粒感強，不均勻；

（2）玻璃打印中溫度控制難度大。玻璃液體存儲于溫度高于1000度的容器中，經過打印頭后，玻璃液體需要固話成型，而為了防止玻璃碎裂，一般而言需要將成型物體放置于退火爐中，控制溫度480度左右，如何在自動化打印成型過程中控制玻璃溫度具有很大的難度；

（3）精確的運動控制系統是3D打印中一個比較核心的部分。傳統的3D打印也需要運動控制，而在玻璃3D打印中，玻璃制品對于精度的要求也很高，否則會出現尖角或者不均勻棱角。因此，實現高精度的運動控制也是玻璃3D打印中一個較大難題。

2.2 玻璃3D打印方案

本文基于FDM和熔絲冷凝，提出一種新型玻璃3D打印方案，設計原理如下：

整機由三個主要部分構成：

2.2.1 笛卡爾結構導軌

我們設計使用笛卡爾結構導軌承載玻璃制品，是因為笛卡爾結構導軌控制精度高，和計算機數控機床（Computer Numerical Control， CNC）類似，笛卡爾結構導軌可以承擔重量較大的用于融化玻璃的坩堝爐及用于玻璃制品退火成型的冷卻平臺。和傳統的FDM 3D打印機不同，我們需要使用高溫熔化玻璃，FDM 3D打印機可以使用線圈逐段融化，而玻璃只能放在坩堝爐中，使得整體結構需要較大承重。

2.2.2 玻璃熔爐

如圖1所示，玻璃液體存儲在坩堝爐D內，坩堝爐主要用于高溫熔化玻璃，并在非打印時存儲玻璃液體；

2.2.3 冷卻平臺及退火爐

在玻璃液體經過擠出頭固化時，需要有冷卻平臺將玻璃液體降溫從而實現固化。同時，也需要對成型的物體進行退火保溫，防止玻璃的碎裂。

其主要工作原理如下：

玻璃原料放置在坩堝爐D中，通過高頻線圈E可以實現快速加熱，融化玻璃。為了排除玻璃雜質及其他空氣，通過攪拌棒G不斷攪拌，排除氣泡。玻璃液體通過助推空氣F，使得玻璃液體從液熔噴嘴C中流出，并在冷凝空氣A和高頻線圈B的作用下對玻璃液體降溫，并在冷卻平臺H上實現退火，形成玻璃制品。

2.3 技術方案特點

本文所提出的玻璃3D打印技術方案有以下特點：

（1）通過加熱線圈可以快速實現玻璃的融化，并且恒溫存儲玻璃液體。玻璃加熱融化需要一定的時間周期，我們設計的技術方案可以在需要打印的時候及時擠出玻璃液體，提高工作效率；

（2）控制速度靈敏，通過存儲高溫玻璃液體的方式可以在很短時間內擠出玻璃液體，進行打印工作；

（3）支持各種情況下的玻璃制品打印，保證玻璃制品美觀，而其他幾種方式很難支持連貫造型的玻璃制品打印。

3 總結與展望

本文提出一種新型玻璃3D打印技術方案，主要基于傳統3D打印技術熔絲堆積（FDM），將玻璃原料放入坩堝爐內，使用高頻線圈加熱等方案將玻璃原料融化為液體；然后利用惰性氣體擠出玻璃液體到冷卻平臺，采用逐層堆積的方式形成物體；并通過退火爐實現退火降溫，最終打印成型的玻璃制品。該方案和現有的玻璃3D打印方案相比，速度快，精度高，能實現更好的打印效果。

玻璃3D打印是一個巨大的市場，我們會在玻璃3D打印原型機的基礎上進一步研發，設計適合工業化生產的玻璃3D打印機，推廣到玻璃制造行業，提升玻璃制造效率和成品率，促進整個玻璃行業的快速發展。

（通訊作者：王躍宣）

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作者簡介

顧釗銓（1989-），男，博士學位。現為香港大學博士后。主要研究領域為無線網絡和分布式計算等。

通訊作者簡介

王躍宣（1975-），女，博士學位。現為浙江大學計算機科學與技術學院教授。主要研究領域為網絡科學、量子網絡和系統科學等。

作者單位

1.香港大學計算機學院 香港特別行政區 999077

2.中國美術學院 浙江省杭州市 310002

3.北京樂軒銳藍科技有限公司 北京市 100085

4.浙江大學計算機科學與技術系 浙江省杭州市 310058

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