多材料3D打印玻璃可用于军事眼镜及VR护目镜

来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员已使用多种材料的3D打印技术创建了量身定制的渐变折射率玻璃光学器件，可以制造出更好的军事眼镜和虚拟现实护目镜。该研究成果2020年11月18日发表在<Science Advances>上。

▲定制GRIN光学器件的未来自动化生产过程的艺术性渲染，展示了量身定制的光学预制件的多材料3D打印，通过热处理转换为玻璃，抛光以及检查表示光学器件的折射率梯度。图片来源：Jacob Long和Brian Chavez

常规的镜片通常由均匀组成的块状材料制成，并且光折射的控制由镜片的厚度和表面曲率决定。球面、圆柱、非球面和类似的镜片很容易通过成熟的制造方法来生产，例如基于抛光和基于CNC（计算机数控）的精加工。此外，可以制造自由曲面光学器件，其中包含没有平移或旋转对称性的自定义复杂曲率，但由于对表面抛光精度的严格要求，使用范围仍然受到限制。

梯度折射率(Gradient refractive index,GRIN)光学器件提供了传统成品光学器件的替代方案。GRIN光学器件包含材料成分的空间梯度，而空间梯度又提供了材料折射率的梯度，从而改变了光在介质中的传播方式。GRIN透镜可以具有平坦的表面形状，但仍具有与等效常规透镜相同的光学功能。

由于眼镜片的发展，GRIN光学器件已经存在于自然界中。在大多数物种中都可以找到例子，其中整个晶状体的折射率变化受结构蛋白（晶状体蛋白）浓度变化的影响。在鱿鱼眼中，不同大小的晶状蛋白形成不同密度的凝胶。折射率的这种梯度与曲率相结合，可以使镜片自然地补偿球差。*在空间上控制材料成分的功能以及因此而来的光学功能为GRIN光学设计提供了机会。例如，可以将多个功能设计到单个光学器件中，例如将聚焦与常见光学像差（球形、彗形、像散等）的校正相结合。另外，已经表明，使用结合表面曲率和折射率梯度的光学器件具有减小光学系统的尺寸和重量的潜力。

已经有几个研究团队证明了透明玻璃的3D打印。然而，大多数这些技术尚未证明具有梯度成分和折射率的玻璃的多材料印刷。在该研究中，研究人员能够通过使用3D打印的直接墨水书写（DIW）方法，主动控制将两种不同的玻璃糊或“墨水”的比例直接混合在一起，从而调整材料成分的梯度。使用DIW制成成分不同的光学预成型件后，然后将其致密化为玻璃，并可以使用常规光学抛光进行精加工。

该研究团队表明可以使用多材料DIW生产GRIN玻璃光学器件。该系统配备了一个有源微混合器，该混合器能够在线混合两种不同的墨水，从而可以对具有成分梯度的生坯进行3D打印，然后将其合并为具有定制的折射率空间分布的玻璃光学器件。

▲图1.DIW法梯度折射率二氧化硅-二氧化钛玻璃的添加剂制造工艺。

（A)具有不同二氧化钛掺杂剂浓度的两种硅基油墨在微流体喷嘴中在主动剪切下混合。组成由两种油墨各自的流速决定。（B)对3D打印的生坯进行热处理，以去除所有有‘机’成分并致密化为玻璃，然后抛光平整。这幅图像中的粉红色是一种有‘机’染料添加到一种墨水中用于可视化的结果。（C)向石英玻璃中加入二氧化钛增加了折射率(41,42)；结果，3D印刷玻璃包含由组成梯度规定的折射率的空间变化。重量%，重量%；ppm，百万分之一。（D)可以设计和生产各种形状、尺寸和光学功能的GRIN玻璃光学器件。所有图像中的网格间距为1毫米。照片编号:Nikola Dudukovic，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室。

由掺杂二氧化钛的石英玻璃制成的一系列抛光3D打印渐变折射率透镜。网格正方形的每一侧均为1毫米。图片来源：劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

通过控制两种墨水的相对流速，可以将所需的浓度曲线编程到相关路径中。这种方法可以打印功能渐变的多材料3D对象。

这项新技术可以在平板玻璃组件中实现各种常规和非常规的光学功能（无表面曲率），从而在环境稳定的玻璃材料中提供了新的光学设计多功能性。这项新技术还可以减轻光学系统的重量。例如，士兵在战场上使用的光学设备轻便至关重要。

“这是我们通过3D打印将两种不同的玻璃材料结合起来，并展示了它们作为光学元件的功能。尽管已针对GRIN进行了演示，但该方法也可用于定制其他材料或光学特性，”本研究一作Dylla-Spears说。

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