用于玻璃物体的增材制造的方法和设备与流程

本发明总体上涉及增材制造领域。特别地，本发明涉及由玻璃制成的原料形成三维部件/物体的方法和设备。

背景技术：

1、在玻璃3d打印或增材制造中，现有技术包括(1)从窑炉中热挤出，(2)玻璃棒沉积，(3)采用玻璃-聚合物混合溶液的立体光刻/喷墨，和(4)玻璃纤丝沉积。

2、(1)在us10464305b2和us10266442b2中，利用平移台以预定几何形状，使用大坩埚将熔融玻璃倒出到构造板上。这种方法的缺点是喷嘴被熔融玻璃损坏的风险，因此局限于具有较低熔化温度的多组分硅酸盐玻璃，诸如钠钙玻璃或硼硅酸盐玻璃。层厚度为约10mm，因此该技术仅适用于分辨率相对较差的大尺寸打印。在所有现有技术中，能量消耗是最高的。

3、(2)在us2020/0070415a1和wo2020/167470a1中，连续纤丝进料用于玻璃3d打印。该打印使用直径大于1mm的玻璃棒作为原材料。通过打印头供给进料棒并沉积在基底上。无法在高于1700℃的温度下打印玻璃，这限制了材料选择。该系统的问题是喷嘴有被熔融玻璃损坏的风险，打印体积受到玻璃棒体积的限制，进料棒之间的间隙导致打印品质不均匀，并且设置被认为具有高的机械复杂性。

4、(3)在us2020/0039868a1、wo2017/214179a1和wo2020/1118157a1中，将玻璃粉与液体聚合物混合。在打印过程中，首先通过聚合物3d打印机产生3d生坯。然后对生坯进行脱脂(de-binding)，得到具有纯玻璃的多孔体。将多孔体烧结，最终形成“致密”的玻璃打印体。混合物中的玻璃含量低。因此，由于大的体积收缩，该技术只能产生通常小于10mm的模型。整个过程耗时几天，并且需要高耗能的窑炉来进行脱脂和烧结。由于烧结期间的不均匀收缩，打印品质不佳。

5、(4)细玻璃纤丝或光纤的激光基熔化[j.m.hostetler等人，fiber-fed printingof free-form free-standing glass structures,solid freeform fabrication 2018:proceedings of the 29th annual international,994-1002],[t.grabe等人,additivemanufacturing of fused silica using coaxial laser glass deposition,experiment,simulation and discussion,proc.spie 11677,laser 3d manufacturingviii,116770z(2021年3月8日)]也已被用于玻璃3d打印。使用激光，实现了非接触加热，因此熔体不会与坩埚壁持续接触，从而避免坩埚腐蚀和玻璃熔体的污染。这里，氧化硅玻璃纤维/纤丝在足以软化该玻璃的温度下被连续地供给到热区中。对于氧化硅玻璃(石英或熔凝氧化硅)，需要高达1800至2000℃的温度。

6、然而，在[j.m.hostetler等人，fiber-fed printing of free-form free-standing glass structures,solid freeform fabrication 2018:proceedings of the29th annual international,994-1002]中，仅使用一个激光束来软化玻璃纤丝。这种非对称加热显著限制了定向打印能力。熔融玻璃纤丝中的不均匀温度梯度可导致打印体中的高残余应力，从而有材料失效和打印过程中断的风险。该技术使用裸玻璃纤丝，这意味着在打印之前需要从玻璃纤丝上去除涂层。然而，这种方法导致在最后阶段期间纤维没有受到保护；将纤维机械供给到热区。剥离工艺还限制了可打印玻璃纤丝的总长度(即，最大机械剥离小于几米，最大化学剥离小于几十米)，这严重损害了3d打印工艺的连续性和能力(体积)。

7、在[t.grabe等人，additive manufacturing of fused silica using coaxiallaser glass deposition,experiment,simulation and discussion,proc.spie 11677，laser 3d manufacturing viii，116770z(2021年3月8日)]中，一个激光束被分裂成4个分束。然而，分裂光束的质量差，因为它们不是均匀的高斯激光束。不均匀加热问题仍然存在。在这种方法中，使用涂覆玻璃纤丝。涂层在热区附近被烧掉，即热区本身可以用来去除涂层。采用常用纤维涂层时所述方法的问题在于，它可能导致不合意的燃烧副产物，更有可能留下残留物，从而影响打印体的纯度。另一个问题是，即使在关闭热源之后，涂层也能够点燃并且开始烧掉大长度的纤丝。因此，需要工艺气体来抑制涂层燃烧。为了烧掉涂层，需要过多的能量，这导致打印期间的大量玻璃蒸发。

8、在基于激光的玻璃加工期间，玻璃蒸发是很常见并且难以消除的。蒸发产生不合意的烟尘氧化硅颗粒，这些颗粒会粘附在表面。烟尘氧化硅颗粒的存在增加了系统中光学器件污染和破坏的风险。蒸发速率和烟尘方向的控制是至关重要的。

9、使用裸玻璃纤丝的增材制造具有差的力学性能，因此容易断裂。为了在储存和操纵期间对玻璃纤丝进行机械和化学保护，需要保护涂层。可在纤丝制造期间施加保护涂层。

10、在现有的玻璃增材制造中，需要从玻璃纤丝上除去涂层。在将纤丝供给到热增材制造区之前，可以使用机械或化学手段(例如，使用硫酸、二氯甲烷)来进行涂层的剥离。然而，这种方法导致纤维在最后阶段期间不受保护；纤维机械供给到热区。由于剥离涂层可能进一步削弱纤丝的力学强度，这不是理想的方案，因为打印期间的纤丝断裂将导致打印过程的严重中断。由于在使用强酸(硫酸)或二氯甲烷(致癌)时涉及的风险，使用化学手段法是不优选的。

11、在玻璃3d打印中，玻璃纤丝被连续供给到1800至2200℃的热区。一种常见的方法是供给纯玻璃纤丝。然而，由于大多数玻璃纤丝是连同涂层一起生产的，因此在打印之前需要去除涂层以生产纯玻璃纤丝。剥离涂层可以使用机械或化学手段(例如，使用硫酸、二氯甲烷)进行。剥离工艺限制了可打印玻璃纤丝的总长度(即，最大机械剥离通常短于2m，最大化学剥离通常短于50m)，这严重损害了3d打印过程的连续性和能力(体积)。由于在没有涂层的情况下纤丝可能会变脆并且剥离涂层可能进一步削弱纤丝的力学强度，这带来额外的风险，因为打印期间的纤丝断裂将导致打印过程的严重中断。

12、替代方法是烧掉涂层。当热区被加热到极高温度时，涂层将在热区附近开始燃烧，即热区本身可以用来去除涂层。所述方法的问题在于，它可能导致打印失败、燃烧副产物，更有可能留下残留物，从而影响打印物的纯度，并且它不是节能的。该方法的另一个问题是存在控制烧掉的涂层的量的问题：可能发生涂层在整个纤丝长度上开始燃烧。

13、wo2018/1636006公开了玻璃3d打印的连续纤丝供给。该打印使用玻璃棒作为原材料。进料棒被加载在旋转盒中并且通过打印头进料并沉积在基底上。通过在该过程中对棒进行热粘合来实现连续进料。无法在较高的温度下打印玻璃，这限制了材料选择。该系统的问题是喷嘴有被熔融玻璃损坏的风险，打印体积受到盒体积的限制，粘合区仍然会在进料中产生不一致性，从而导致不均匀的打印品质，并且该设置被认为具有高的机械复杂性。

14、发明目的

15、本发明旨在克服上述问题。本发明的主要目的是提供一种用于形成玻璃的三维部件的改良设备。

16、本发明的另一个目的是提供一种用于形成玻璃的三维部件的增材制造方法。

技术实现思路

1、根据本发明，通过具有独立权利要求中限定的特征的系统来实现至少所述主要目的。

2、从属权利要求中进一步限定本发明的优选实施方案。

3、根据本发明的第一方面，提供了一种形成玻璃三维部件/物体的增材制造方法，所述方法包括以下步骤：

4、a.在基本水平方向上向台板或物体供给玻璃纤丝材料；

5、b.加热所述玻璃纤丝材料，使得玻璃纤丝材料变为或保持熔化/软化；和

6、c.将熔化/软化的玻璃纤丝材料沉积到所述台板或物体的表面上，其中熔化/软化的玻璃纤丝材料形成所述玻璃三维部件/物体；其中在沉积的至少一部分期间，所形成的玻璃三维部件处在基本竖直的台板上，逐层沉积熔化/软化的玻璃纤丝材料；

7、d.用一个或多个计算机和一组驱动器控制熔化/软化的玻璃纤丝材料沉积，该组驱动器驱动玻璃纤丝材料和台板的相对运动。

8、该实施方案的优点在于，在玻璃纤丝的增材制造热区处产生的任何烟尘都可以从所述增材制造热区逸出，从而在所述玻璃纤丝的熔化/软化期间不会污染激光光学器件或者不会干扰激光束。

9、在本发明的各种示例性实施方案中，基本上垂直于台板或物体的所述表面供给所述玻璃纤丝。

10、这些实施方案的优点在于，与不基本上垂直于所述基底提供所述玻璃纤丝相比，可以提高制造细节的精度。

11、在本发明的各种示例性实施方案中，使用从至少一个源发出的至少一个激光束来加热所述玻璃纤丝。

12、这些实施方案的优点在于，从一个或多个激光束源发出的一个或多个激光束可用于加热/熔化所述玻璃纤丝。

13、在本发明的各种示例性实施方案中，玻璃纤丝材料是中空的。

14、这些实施方案的优点在于，所述纤丝的所述中空结构可以建立在所述最终三维部件中，诸如例如微流体结构。

15、在本发明的各种示例性实施方案中，所述玻璃纤丝材料具有由聚酰亚胺制成的保护膜，所述保护膜具有1μm至50μm范围内的厚度。

16、这些实施方案的优点在于，所述纤丝在使用前受到保护，同时在增材制造中使用期间该保护膜被自动去除，并且对所制造的材料及其用于激光束的引导光学器件表现出很少(即便不能说没有)的污染。

17、在本发明的各种示例性实施方案中，通过波长大于2μm的至少三个激光束来加热所述玻璃纤丝。

18、这些实施方案的优点在于，围绕玻璃纤丝对称提供的多个激光束可以加快熔化/软化时间。另一个优点是可以选择激光束的波长和/或数量以具有定制的加热效率。

19、在本发明的各种示例性实施方案中，所述玻璃纤丝是直径在100-500μm范围内的涂覆玻璃纤维。

20、这些实施方案的优点在于，可使用各种直径的玻璃纤丝来最大限度地提高精度或制造速度。本发明的另一优点是可使用光纤作为原材料。

21、在本发明的各种示例性实施方案中，所述台板是玻璃板，其厚度为所述玻璃纤丝直径的80％-300％。该厚度可以在十分之几毫米到几厘米的范围内。

22、这些实施方案的优点在于，该制造方法与极薄的基底相容。

23、在本发明的各种示例性实施方案中，还包括在用所述至少一个激光束加热所述玻璃纤丝之前预热所述玻璃纤丝的步骤。

24、这些实施方案的优点在于，可需要较小的激光功率以达到玻璃纤丝的期望熔化/软化温度。可以通过在纤丝供给喷嘴中进行电阻加热来进行预热。

25、在本发明的各种示例性实施方案中，纤丝供给喷嘴和所述玻璃纤丝与所述激光束的交点之间的距离小于5mm。激光束相对于所述玻璃纤丝要施加到的台板或物体的表面的角度可以在30-60°的范围内。多个激光束可被配置为在所述玻璃纤丝处基本上对称地围绕所述玻璃纤丝相交。

26、这些实施方案的优点是短距离增加三维部件的制造精度。由于所述玻璃纤丝上的保护膜的自熄灭性质，可以使用短距离。选择所述激光束的击射角，使得所述热区被施加在所述玻璃纤丝和所述台板中，以有效地熔融所述台板和所述玻璃纤丝。还可以通过独立的加热源从后面加热该台板，例如从所述玻璃纤丝施加在所述台板上的相反侧击射的至少一个另一激光束。

27、在本发明的各种示例性实施方案中，所述玻璃纤丝由至少两种不同的材料加上保护膜制成。

28、这些实施方案的优点是可以制造功能性光波导，例如用于电信、传感或生物医学应用的光学电路。

29、在本发明的另一方面，提供了一种用于玻璃部件/物体的增材制造的设备，包括：

30、a.台板；

31、b.一个或多个加热元件，用于加热玻璃纤丝材料，使得玻璃纤丝材料变成或保持熔化/软化；

32、c.纤丝供给喷嘴，用于在基本水平方向上向台板供给玻璃纤丝以形成位于台板上的所述玻璃部件/物体；

33、d.一个或多个计算机，用于控制制造，使得熔化/软化的玻璃材料逐层沉积，以及玻璃纤丝材料和台板的相对运动，其中所述台板是基本上竖直的。

34、从优选实施方案的以下详细描述将清楚本发明的另外优点和特征。