3D打印用來(lái)制作玻璃藝術(shù)品已經(jīng)不是新鮮事，然而3D打印施華洛世奇水晶或許會(huì)讓人感到不可思議。日本工作室TAKT于2011年就由前員工Satoshi Yoshiizumi開(kāi)始探索水晶的3D打印，他們的水晶打印具有什么樣的特點(diǎn)？除了TAKT，設(shè)計(jì)師們還通過(guò)3D打印為水晶制造帶來(lái)哪些創(chuàng)新？本期，3D科學(xué)谷與谷友共同來(lái)了解。

      要理解3D打印水晶，先從理解水晶尤其是人造水晶與玻璃的區(qū)別開(kāi)始。水晶和人造水晶都是晶體，即由分子按照一定的方向和規(guī)律堆積排布而成。因?yàn)樗鼈兪怯刹粚?duì)稱(chēng)的分子按照一定的方向堆積而成的，所以會(huì)表現(xiàn)出一定的“各向異性”。而玻璃是由熔融的以二氧化硅為主體的混合物快速冷卻得到的，因?yàn)闆](méi)有時(shí)間形成晶體，很多分子混亂地?cái)囋谝黄�，沒(méi)有方向性，因此他們表現(xiàn)出“各向同性”。

     水晶和人造水晶同樣具有雙折射現(xiàn)象，方向合適的話(huà)，一束經(jīng)過(guò)水晶光線(xiàn)會(huì)被折射向兩個(gè)不同的方向，而玻璃則不會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象——因?yàn)樵谒�晶中，不同的方向光學(xué)性質(zhì)不同，而在玻璃中，任何方向的光學(xué)特質(zhì)都是相同的。

      要達(dá)到獲取具有各向異性的人造水晶并不是容易的事情，一種變通的方法就是通過(guò)加入別的氧化物可以方便地給玻璃上色或者改變各種光學(xué)特性，例如微量的鐵可以使玻璃呈綠色，錳呈紫色，鈷呈藍(lán)色等等。加入鉛則可以增加玻璃的折射率，讓玻璃顯得更閃耀。

如果我們把像施華洛世奇這樣的人造水晶理解為高品質(zhì)鉛玻璃，那么我們就容易理解為什么3D打印可以用于水晶的制造。

靈感來(lái)自于僅有1.5毫米厚的霜晶，TAKT項(xiàng)目通過(guò)3D打印技術(shù)創(chuàng)建了印花水晶系列的燭臺(tái)和花瓶，它們具有細(xì)膩的肋紋紋理，工作室所這些不可能用傳統(tǒng)技術(shù)如玻璃成型，吹塑或切割來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體的3D打印工作是由位于特拉維夫的Micron3DP公司完成的，這家公司聲稱(chēng)自己是第一個(gè)做高分辨率3D打印玻璃的公司。

不僅僅是TAKT項(xiàng)目，有的藝術(shù)家還嘗試打印會(huì)發(fā)光的水晶。藝術(shù)家Marjan van Aubel將一個(gè)微型太陽(yáng)能電池板集成在水晶中，這增強(qiáng)了水晶從太陽(yáng)中捕獲能量的能力，而成為便攜式的小型電池。在白天攜帶的時(shí)候是裝飾品，在晚上的時(shí)候則可以成為照亮局部物品的“小電燈”。

     在玻璃的3D打印方面，麻省理工學(xué)院在2015年就發(fā)明了使用玻璃作為打印材料的3D打印方法，該過(guò)程被稱(chēng)為G3DP。G3DP被描述為使用光學(xué)透明玻璃用于高度精確3D打印的方法。該過(guò)程是可控制，并且可以提供透明度和顏色等打印選項(xiàng)。打印對(duì)象的厚度也可以控制，另外還可以控制打印物體的透射，反射和折射等參數(shù)。

     TAKT項(xiàng)目所用到的Micron3DP的玻璃3D打印技術(shù)屬于熔融擠出3D打印技術(shù)。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，Micron3DP終于在把材料溫度提升至850攝氏度之后成功地進(jìn)行了玻璃的3D打印。而為了3D打印硼硅玻璃，這種玻璃通常會(huì)被用于制造更加耐用的器皿，比如在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用的那些玻璃器皿，公司能夠把該材料的熔化溫度提升至1640攝氏度。

      然而，其它的研究者，并不認(rèn)為FDM是最好的打印玻璃的方式，這些研究者還試圖在較低的溫度下3D打印制作玻璃制品。

通常來(lái)說(shuō)，F(xiàn)DM和立體3D打印技術(shù)不能夠完全熔化玻璃問(wèn)題，導(dǎo)致多孔或非均勻結(jié)構(gòu)。LLNL勞倫斯摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室位于加利福尼亞的研究人員創(chuàng)造了一系列定制玻璃油墨，他們認(rèn)為他們已經(jīng)解決了那些導(dǎo)致多孔或非均勻結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。

    LLNL采用的玻璃顆粒的濃縮懸浮液油墨具有高度控制的流動(dòng)性能，并因此可以在室溫下滿(mǎn)足打印需求。LLNL的研究人員介紹說(shuō)這些特殊油墨可以進(jìn)行熱處理，增強(qiáng)密度并消除打印過(guò)程中的其他問(wèn)題。熱處理完成后，研究人員還可以進(jìn)行光學(xué)質(zhì)量的拋光，使零件更均勻更復(fù)合光學(xué)性能的要求。3D打印可以用來(lái)創(chuàng)建成分梯度，這些3D打印的光學(xué)組件可以用來(lái)降低光學(xué)系統(tǒng)的尺寸、重量或成本。

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