3D打印技術(shù)的概念最早起源于上世紀(jì)70年代末到80年代初期。其發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)里程碑是由Hull于1986年提出光固化成形（Stereo Lithography Apparatus，SLA），用紫外激光將高分子聚合物固化并逐層疊加，并在同年創(chuàng)立了世界上第一家3D打印公司3D Systems。后在1988年Crump發(fā)明了熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）并成立Stratays公司。

1989年Dechard發(fā)明了選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）。1993年Sachs發(fā)明了一種全新的3D打印技術(shù)，通過(guò)向金屬、陶瓷等粉末噴射黏結(jié)劑的方式將材料逐片成形，然后進(jìn)行燒結(jié)，該技術(shù)類似于噴墨打印，制作速度快、價(jià)格低廉。

近幾年，3D打印發(fā)展迅速并逐漸走向大眾走進(jìn)人們的生活。其具有節(jié)約材料、裝置便捷、可打印物品形狀靈活、打印零件精密、生產(chǎn)率高生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，3D打印的這些優(yōu)勢(shì)日益突顯，應(yīng)用領(lǐng)域也覆蓋航天科技、汽車(chē)、電子、房屋建筑、醫(yī)學(xué)、服飾等方方面面。

目前3D打印主流材料主要為金屬、樹(shù)脂、塑料和陶瓷等。玻璃材料仍處于研究階段當(dāng)中，玻璃是人們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)、科技領(lǐng)域中常見(jiàn)的用品，擁有卓越的力學(xué)性能、化學(xué)/熱穩(wěn)定性、電/熱絕緣性以及無(wú)與倫比的光學(xué)性能。但是傳統(tǒng)的玻璃生產(chǎn)工藝效率低、成品率差、不能滿足復(fù)雜形狀的需求，而3D打印玻璃不僅能提高成品率，還能充分利用3D打印的優(yōu)勢(shì)制造出形狀復(fù)雜的玻璃工件，滿足特殊需求。

利用激光對(duì)玻璃進(jìn)行3D打印加工的研究在逐年增加。包含激光玻璃粉激光燒結(jié)/熔融和立體光固化。SLS已被應(yīng)用于金屬、陶瓷和高分子聚合物，玻璃雖難度較大但也同樣適用。

利用SLM方法打印玻璃的原理與金屬打印類似，其成形原理是：采用鋪粉裝置將一層玻璃粉體鋪平在基板上或已成形的零件上表面，控制系統(tǒng)通過(guò)控制高能激光束按照相應(yīng)的層截面輪廓在玻璃粉層上掃描，使玻璃粉末熔化并與基板或下面已經(jīng)成形的部分熔合。當(dāng)一層截面熔化完成之后，工作臺(tái)下降一個(gè)打印層厚，接著鋪粉裝置再鋪一層玻璃粉體，進(jìn)行新一輪熔化打印，如此反復(fù)進(jìn)行直至零件打印完成。根據(jù)將打印出的坯件放入爐子中進(jìn)行熱處理，按照設(shè)定好的溫度制度、焙燒氣氛和壓力進(jìn)行熱處理。SLM方法打印玻璃是最有希望實(shí)現(xiàn)3D玻璃精密打印的技術(shù)。

利用SLA方法打印玻璃的主要原理是：以玻璃樹(shù)脂漿料（玻璃粉體分散在光敏單體中形成，根據(jù)需要添加其他材料）為原料，通過(guò)紫外激光使樹(shù)脂逐層固化成形。方法多樣，例如：

• 利用計(jì)算機(jī)控制激光器發(fā)出紫外激光束按照零件的切片輪廓信息對(duì)玻璃樹(shù)脂掃描，使被掃描部分的光敏樹(shù)脂發(fā)生聚合（固化）反應(yīng)，形成薄層截面。當(dāng)一層玻璃樹(shù)脂固化完成后工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的高度，在固化好的部分上面再覆蓋一層玻璃樹(shù)脂，刮刀將液面刮平，然后進(jìn)行下一層掃描，如此反復(fù)直到零件制作完成。

• 當(dāng)玻璃樹(shù)脂黏度較高，流動(dòng)性較差時(shí)，則可采用倒置式打印。工作臺(tái)浸沒(méi)在樹(shù)脂中，紫外光按零件切片輪廓信息從下往上照射使之固化。當(dāng)一層薄層固化完成之后，工作臺(tái)上升一個(gè)層厚，進(jìn)行新一輪固化。如此反復(fù)，直至零件打印完成。將打印出的坯件放入爐子中進(jìn)行熱處理，按照設(shè)定好的溫度制度、焙燒氣氛和壓力進(jìn)行熱處理。這個(gè)過(guò)程分為兩個(gè)階段：根據(jù)選用的有機(jī)物加熱到特定溫度脫去坯體中的有機(jī)物，這是十分敏感容易出現(xiàn)缺陷的階段；加熱到1000 ℃以上實(shí)現(xiàn)致密化、形成玻璃，燒結(jié)完成等冷卻后便可得到最終的玻璃產(chǎn)品了。可參見(jiàn)下圖1。

筆者所在的課題組在國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展了激光3D打印玻璃的研究和探索。通過(guò)分散機(jī)將平均粒徑為50 nm的氣相SiO2粉體分散在甲基丙烯酸羥乙酯（光敏單體）、四乙二醇二丙烯酸酯(交聯(lián)劑)和安息香二甲醚(光引發(fā)劑)的混合溶劑中，形成流動(dòng)性良好的液態(tài)玻璃漿料，將玻璃漿料置于模具中用紫外燈照射使其固化，驗(yàn)證了該漿料用于光固化立體成形的可行性。接著以該玻璃漿料為原料，利用光固化快速成型機(jī)，在激光功率70 mW，掃描速率2000 mm/s打印出塊狀坯體，通過(guò)后續(xù)熱處理排脂，最終在1250 ℃得到透明玻璃塊體，見(jiàn)下圖2。

由測(cè)得的樣品的吸收光譜可見(jiàn)，最終所得玻璃樣品在可見(jiàn)光范圍內(nèi)有吸收，證明了其良好的透光性，如圖3所示。

激光3D打印玻璃在應(yīng)用方面十分具有前景，相比于傳統(tǒng)的玻璃制備精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)需要采用氫氟酸刻蝕或激光刻蝕，制備過(guò)程危險(xiǎn)、環(huán)境污染大、能耗高且效率往往低下的情況下，3D打印玻璃的優(yōu)點(diǎn)不言而喻。既可打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精細(xì)度高的精美玻璃制品，更可應(yīng)用于打印精密光學(xué)元器件。 

玻璃一般外觀上給人晶瑩剔透的感覺(jué)，用于精美工藝品，作為飾品掛件和擺件等，一直為人們所喜愛(ài)，甚至作為國(guó)寶。傳統(tǒng)的模壓法難以制備內(nèi)部具有異形孔洞的結(jié)構(gòu)。圖4是用激光3D打印制備的城堡大門(mén)，整個(gè)結(jié)構(gòu)只有毫米級(jí)，顯示了3D打印玻璃用于個(gè)性化工藝品的前景。

微化學(xué)分析器近年來(lái)廣泛用于身體檢查等，用途非常廣泛。傳統(tǒng)的采用飛秒激光刻蝕，除需要使用昂貴的飛秒激光系統(tǒng)外，還存在流路表面粗糙、孔徑不均等諸多問(wèn)題。而采用激光3D打印玻璃技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)如圖5所示的任意形狀的復(fù)雜三維流路。這個(gè)在今后將有望得到廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)微光學(xué)器件的構(gòu)建一般采用模壓法，先需要制備精密的模具，然后將加熱到一定溫度的玻璃進(jìn)行熱壓，以形成具有一定幾何結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。整個(gè)過(guò)程相對(duì)比較耗時(shí)，而激光3D打印可以直接形成二維甚至三維的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)具有特定衍射等功能。圖6是激光3D打印玻璃的結(jié)構(gòu)，分別起到微光柵和微透鏡陣列的作用。今后如果3D打印的分辨率能進(jìn)一步提高到亞波長(zhǎng)，則有望實(shí)現(xiàn)三維光子晶體結(jié)構(gòu)，在微光學(xué)領(lǐng)域大顯神威。

當(dāng)前，3D打印塑料或金屬等材料的技術(shù)越來(lái)越成熟，3D打印技術(shù)在玻璃上的應(yīng)用也逐漸被關(guān)注。激光3D打印玻璃技術(shù)使3D打印所能適用的材料種類又得到了拓寬，玻璃這種古老的材料再次煥發(fā)出新的生機(jī)。

將玻璃應(yīng)用于3D打印過(guò)程中有幾要素十分重要：

• 玻璃喂料的組分及組分之間的合理配比；

• 所用玻璃粉體顆粒的尺寸形貌；

• 打印參數(shù)的設(shè)置，如層厚的設(shè)定及合適的激光功率；

• 打印完的后處理工藝，預(yù)燒時(shí)的溫度梯度設(shè)置，最終燒結(jié)的操作方式，簡(jiǎn)單形貌的樣品可通過(guò)直接燒結(jié)，而復(fù)雜的樣品則可通過(guò)埋粉來(lái)降低燒結(jié)過(guò)程中的形變；

• 最終成品的機(jī)械性能和光學(xué)性能則是衡量玻璃制件的關(guān)鍵因素，若打印玻璃制品的性能達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，則玻璃3D打印失去與傳統(tǒng)玻璃制法的競(jìng)爭(zhēng)力。

目前玻璃3D打印仍存在諸多問(wèn)題，如打印精度低、產(chǎn)品在熱處理過(guò)程中存在形變等，而且目前利用激光3D打印出來(lái)的玻璃樣件尺寸較小，離實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化還有一定的距離。有關(guān)激光3D打印玻璃的技術(shù)仍處于研發(fā)階段，但可以預(yù)見(jiàn)，將來(lái)的應(yīng)用前景十分廣泛，除了可打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精細(xì)度高的精美玻璃制品之外，還可應(yīng)用于打印微流控芯片、光學(xué)衍射結(jié)構(gòu)、透鏡等精密光學(xué)原件。