日本设计师探索水晶3D打印技术

3D打印用来制作玻璃艺术品已经不是新鲜事，然而3D打印施华洛世奇水晶或许会让人感到不可思议。日本工作室TAKT于2011年就由前员工Satoshi Yoshiizumi开始探索水晶的3D打印，他们的水晶打印具有什么样的特点？除了TAKT，设计师们还通过3D打印为水晶制造带来哪些创新？

要理解3D打印水晶，先从理解水晶尤其是人造水晶与玻璃的区别开始。水晶和人造水晶都是晶体，即由分子按照一定的方向和规律堆积排布而成。因为它们是由不对称的分子按照一定的方向堆积而成的，所以会表现出一定的“各向异性”。而玻璃是由熔融的以二氧化硅为主体的混合物快速冷却得到的，因为没有时间形成晶体，很多分子混乱地搅在一起，没有方向性，因此他们表现出“各向同性”。水晶和人造水晶同样具有双折射现象，方向合适的话，一束经过水晶光线会被折射向两个不同的方向，而玻璃则不会发生这种现象——因为在水晶中，不同的方向光学性质不同，而在玻璃中，任何方向的光学特质都是相同的。要达到获取具有各向异性的人造水晶并不是容易的事情，一种变通的方法就是通过加入别的氧化物可以方便地给玻璃上色或者改变各种光学特性，例如微量的铁可以使玻璃呈绿色，锰呈紫色，钴呈蓝色等等。加入铅则可以增加玻璃的折射率，让玻璃显得更闪耀。
如果我们把像施华洛世奇这样的人造水晶理解为高品质铅玻璃，那么我们就容易理解为什么3D打印可以用于水晶的制造。灵感来自于仅有1.5毫米厚的霜晶，TAKT项目通过3D打印技术创建了印花水晶系列的烛台和花瓶，它们具有细腻的肋纹纹理，工作室所这些不可能用传统技术如玻璃成型，吹塑或切割来实现。具体的3D打印工作是由位于特拉维夫的Micron3DP公司完成的，这家公司声称自己是第一个做高分辨率3D打印玻璃的公司。不仅仅是TAKT项目，有的艺术家还尝试打印会发光的水晶。艺术家Marjan van Aubel将一个微型太阳能电池板集成在水晶中，这增强了水晶从太阳中捕获能量的能力，而成为便携式的小型电池。在白天携带的时候是装饰品，在晚上的时候则可以成为照亮局部物品的“小电灯”。
在玻璃的3D打印方面，麻省理工学院在2015年就发明了使用玻璃作为打印材料的3D打印方法，该过程被称为G3DP。G3DP被描述为使用光学透明玻璃用于高度精确3D打印的方法。该过程是可控制，并且可以提供透明度和颜色等打印选项。打印对象的厚度也可以控制，另外还可以控制打印物体的透射，反射和折射等参数。TAKT项目所用到的Micron3DP的玻璃3D打印技术属于熔融挤出3D打印技术。通过反复试验，Micron3DP终于在把材料温度提升至850摄氏度之后成功地进行了玻璃的3D打印。而为了3D打印硼硅玻璃，这种玻璃通常会被用于制造更加耐用的器皿，比如在科学实验室中使用的那些玻璃器皿，公司能够把该材料的熔化温度提升至1640摄氏度。然而，其它的研究者，并不认为FDM是最好的打印玻璃的方式，这些研究者还试图在较低的温度下3D打印制作玻璃制品。
通常来说，FDM和立体3D打印技术不能够完全熔化玻璃问题，导致多孔或非均匀结构。LLNL劳伦斯摩尔国家实验室位于加利福尼亚的研究人员创造了一系列定制玻璃油墨，他们认为他们已经解决了那些导致多孔或非均匀结构的问题。LLNL采用的玻璃颗粒的浓缩悬浮液油墨具有高度控制的流动性能，并因此可以在室温下满足打印需求。LLNL的研究人员介绍说这些特殊油墨可以进行热处理，增强密度并消除打印过程中的其他问题。热处理完成后，研究人员还可以进行光学质量的抛光，使零件更均匀更复合光学性能的要求。3D打印可以用来创建成分梯度，这些3D打印的光学组件可以用来降低光学系统的尺寸、重量或成本。