全文3700字，阅读需7分钟。本文分享MIT团队模块化积木化建筑装饰用玻璃3D打印的研究成果。
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AM易道导语：
玻璃这种透明而坚韧的材料，自古以来就在建筑领域扮演着重要角色。
然而，传统的玻璃制造工艺一直面临着设计灵活性不足、模具成本高昂等痛点。
之前AM易道发过一篇关于玻璃3D打印的原创文章，其中提到了MIT有团队一直在做这方面的工作。
本文AM易道带来的是MIT团队的最新关于玻璃3D打印的研究成果。
最新一期的《玻璃结构工程》（Glass Struct. Eng.）期刊上，来自麻省理工学院（MIT）的Daniel Massimino及其团队发表了题为《玻璃积木结构的增材制造》的突破性研究论文。
他们采用三种不同的方法，成功制造出了可以互相咬合的玻璃积木，为玻璃3D打印在建筑领域的应用铺平了道路。
AM易道认为，这项研究的意义不仅仅在于技术创新，更是对新建筑理念的一次尝试。
积木型玻璃3D打印技术的应用，将为建筑设计带来前所未有的自由度，同时也为循环经济提供了新的可能性。
让我们一起深入了解这项研究，探索玻璃3D打印的奥秘。
研究背景：建筑业的可持续发展难题
建筑业作为全球碳排放的主要来源之一，一直在寻求更加环保、可持续的发展道路。MIT团队的研究正是在这样的背景下展开的。
他们的目标是开发一种可以完全透明、自支撑、且能够实现循环建造的玻璃构件。
G3DP3：玻璃3D打印的核心装备
研究团队使用的是第三代玻璃3D打印机（G3DP3），这台打印机由MIT的Mediated Matter研究组开发，现由Evenline公司拥有和操作。如图所示，G3DP3的核心结构包括：
位于底部的构建室，通过玻璃门可以看到内部情况
上方是熔炉窑和坩埚，用于熔化和储存玻璃原料
G3DP3的打印空间达到32.5 × 32.5 × 38 cm，足以制造全尺寸的砌筑单元。这台设备是基于热熔挤出的玻璃3D打印技术，其关键优势在于能够精确控制玻璃的熔融、挤出和冷却过程，为生产高质量的玻璃构件提供了可能。
三种玻璃3D打印方法大PK
本研究的核心是在于基于3D打印设备的功能，开发了三种不同的玻璃3D打印方法，如下图所示：
1. FH（Fully Hollow）法：无底座直接打印，快速高效，精度出众
FH法的核心思路是在陶瓷基板上直接打印中空的积木本体，没有底部玻璃结构。
这种方法的优势在于生产时间最短（约10小时），尺寸精度最高（平均误差小于1mm）。
具体工艺流程如下：
在陶瓷构建板上进行3D打印
按照特定的退火程序进行热处理
使用金刚石带锯切割打印件，去除顶部和底部的多余部分
使用磨床精确打磨到最终高度
使用水磨砂带机和手持气动砂带机对外部和内部边缘进行倒角处理
使用水磨轮和树脂金刚石抛光垫进行表面抛光
最后使用氧化铈（shi四声）进行精抛光
FH法生产的积木强度最高，在压碎测试中表现出色。
然而，由于没有底板，这种方法需要额外的零件来实现砌块之间的互锁，这可能会影响整体的美观性和透明度。
2. PC（Print-Cast）法：无底座打印加铸造底座，兼具打印与铸造优势
PC法可以看作是打印与铸造工艺的结合。
首先利用FH法打印出积木的中空部分，然后将其置于石墨模具中，再浇注熔融玻璃形成连接结构。
PC法的工艺流程较为复杂，如下图所示：
首先按FH法打印中空部分
将打印好的部件放置在加工好的石墨模具上
将整体加热到退火点（500°C）
快速升温至616°C，准备浇注
将熔融玻璃浇注入打印的中空部件和石墨模具中
保持在退火温度2.5小时，以降低内部应力
再次升温至616°C，以便从石墨模具中取出部件
最后进行延长的退火循环，以消除浇注过程中产生的额外热应力
PC法生产的积木强度略逊于FH法，但高于FP法（下文）。
然而，由于涉及两次退火环节，PC法的生产周期相对较长（约24小时）。
此外，在浇注过程中容易产生热震裂纹，增加了生产的不确定性。
3. FP（Fully Printed）法：带底座一体化纯打印
FP法实现了积木的"一体化"打印，包括互锁结构和主体部分。
为了解决玻璃在石墨基板上的滑动问题，研究团队在基板上设计了精巧的网格结构。
FP法的工艺流程相对简单：
在加工好网格结构的石墨基板上直接进行3D打印
采用侧边沉积和融合技术打印互锁元件
打印完成后进行延长的退火循环
最后进行切割、倒角和抛光处理
FP法生产的积木虽然在强度上暂时落后于其他两种方法，但其潜力不容小觑。
随着工艺的不断优化，FP法有望实现建筑构件的按需打印，无需传统的模具。
打印结果展示
上图展示了三种方法制造的玻璃积木成品，从左到右依次为FH、PC和FP。我们可以观察到：
FH单元结构简洁，表面光滑，但没有互锁的底座结构
PC单元底部有明显的互锁结构
FP单元整体一体成型，但表面纹理较为明显
这些差异直接影响了各种方法生产的玻璃积木的性能和应用特点。
互锁结构设计的巧思
研究团队在设计玻璃积木时，特别考虑了互锁结构的受力情况。
如上图所示：A. 单个积木俯视图 B. 积木堆叠时的受力分布。深色区域表示受力支撑面，浅色区域为悬空部分 C. 侧视图展示了上层积木如何跨越下方两个积木
这种设计巧妙地平衡了结构强度和材料用量，为大规模的模块化玻璃装饰的应用奠定了基础。
研究结果：三种方法的详细比较
几何精度和质量
研究团队使用坐标测量仪对打印的积木进行了详细的几何分析。结果显示：
FH法的精度最高，平均误差小于1mm
PC法的精度和一致性较差，可能是由于浇注过程中的变形
FP法的精度介于两者之间，但顶面和底面的角度误差较大
表面粗糙度
使用轮廓仪测量了不同制造方法产生的表面粗糙度。结果显示：
经过抛光的FH法表面粗糙度最低
PC法的底面由于与石墨模具接触，粗糙度显著增加
FP法的底面虽然粗糙度不高，但由于网格结构的存在，实际应力集中可能更加严重
机械性能
研究团队使用液压测试机进行了两种配置的压缩测试。测试结果显示：
FH法的强度最高，平均初始断裂强度达到38.4 MPa
PC法次之，平均初始断裂强度为10.4 MPa
FP法最低，平均初始断裂强度仅为3.64 MPa
值得注意的是，所有样品的最终失效强度都远高于初始断裂强度，这表明玻璃3D打印结构具有一定的韧性和安全冗余度。
玻璃3D打印：建筑装饰业的"透明未来"
之前的文章提到过：
玻璃3D打印技术的出现，为诸多领域带来了新的发展机遇。在光学和航空航天领域，玻璃3D打印技术有望实现高性能、轻量化光学元件和航天部件的制造。在航天领域，玻璃3D打印还可用于制备轻质高强的玻璃泡沫材料，应用于航天器隔热、防护等方面。在艺术和创意产业，玻璃3D打印技术则有望掀起一场设计革命。玻璃吹制等传统工艺虽然制品精美，但对技艺要求高，生产周期长。而玻璃3D打印可让设计师充分发挥创意，在材料、肌理、透明度等方面呈现出独特的审美特点，或许将催生出新的玻璃艺术家。除了上述领域，玻璃3D打印技术在古建筑修复、文物复原、工业传感等诸多领域也有广阔的应用前景。
AM易道，公众号：AM易道一文揭秘玻璃3D打印发展：小众赛道的大未来
但本文的研究更偏向之前没提到的建筑装饰应用，潜力如下：
设计自由度的突破
传统的玻璃成型方法受限于模具，而3D打印技术可以轻松实现复杂的几何形状。这意味着建筑师可以设计出更加独特和富有创意的建筑结构，如图所示的组装墙体就展示了这种可能性。
可持续发展的新选择
研究中提到的互锁结构设计，为建筑的可拆卸性和材料的再利用提供了可能。这种设计理念符合循环经济的原则，有望减少建筑垃圾，降低建筑业的碳排放。
生产效率的提升
虽然目前3D打印玻璃的速度还不及传统方法，但基于模块化积木化的搭建，它能够被预生产，并在生产复杂形状和小批量定制方面具有明显优势。
随着技术的进步，生产效率有望进一步提高。
材料回收利用的新可能
如下图所示，研究团队还尝试了使用回收的浮法玻璃进行3D打印。这为建筑玻璃的循环利用开辟了新的途径，有望大幅减少玻璃废料的产生。
写在最后
玻璃3D打印技术要真正走向大规模应用，还面临着诸多挑战，比如：强度低、效率低、尺寸受限、成本过高能影响市场竞争力的问题。
但MIT团队的研究仍提供了不少3D打印与传统结合的制造思路。
我们希望玻璃3D打印技术的发展，能够带来一个更加透明、更加可持续的建筑未来，让城市的天际线可能会变得更加晶莹剔透。
回顾玻璃3D打印技术的发展历程，从最初的概念雏形，到如今初具规模的产业，玻璃3D打印技术在短短几年内取得了长足进步。
比起其他材料领域，玻璃3D打印是绝对的蓝海。
中国是世界上最大的玻璃生产国和消费国。全球玻璃产业市场规模预计到2027年将达到3500亿美元左右。
AM易道认为，在这样的产业背景下，玻璃3D打印技术不容小视：
即使玻璃3D打印技术只能占据全球玻璃市场的一小部分，其市场规模也将是巨大的。而中国作为玻璃生产大国，有望将传统玻璃制造技术与3D打印技术相结合，创造出独特的技术优势。
AM易道，公众号：AM易道一文揭秘玻璃3D打印发展：小众赛道的大未来
未来在这个领域的方向也很多，
深入研究材料科学，优化玻璃配方; 或是改进3D打印设备，提高打印精度和效率; 还是探索新的建筑设计理念，局部发挥玻璃3D打印的优势？
欢迎大家在评论区一起分享自己的看法。
（正文内容结束）
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