综述：玻璃增材制造技术：方法、应用与挑战

《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：Glass Additive Manufacturing Technologies: Approaches, Applications, and Challenges

　　

玻璃增材制造（AM）是一项发展中的技术，特别是在与金属和聚合物相比时，后两者的工艺和应用已得到广泛研究。其潜力在于制造复杂甚至微米级的几何形状，这些形状难以或无法通过传统模塑实现，以及生产具有独特光学性能的组件。AM技术的多样性，加上玻璃高熔点、流变控制及脆性相关的挑战，需要对当前发展进行全面分析。因此，研究人员根据PRISMA协议，对通过粒子融合形成固体组件的玻璃AM技术的最新文献进行了系统综述。本综述明确排除了利用玻璃纤维作为增强材料的技术，因为那属于独立的研究领域。结果表明该领域持续增长，以基于光聚合和墨水挤出的技术为主，这两种技术均提供高分辨率和微观结构控制。最终，本综述确立了当前技术发展水平，识别了关键挑战和新兴研究方向以指导未来发展。本综述旨在为寻求启动或扩展玻璃AM工作的研究人员和专业人士提供基础参考。

**2. Materials and Methods**
本综述聚焦于分析应用于玻璃组件制造（排除纤维增强方法）的增材制造技术，以确定其技术发展水平、涉及工艺参数及其对最终性能和可持续性的影响。研究问题包括：哪些AM技术对玻璃AM发展潜力最高？玻璃AM领域正在研究的新应用有哪些？使用回收玻璃实施AM的关键因素和挑战？玻璃AM如何促进可持续发展？为此，采用PRISMA方法论进行系统综述，利用明确标准筛选文本，并提供流程图说明文章选择过程。在Scopus数据库中进行文献检索（2025年7月），使用查询词“Glass print*”等，排除限制性术语以保持搜索广度。初始检索得到241条记录（2015-2025年），应用纳入标准（英语文本、期刊文章、综述文章）后保留91条。最终选定出版物通过Bibliometrix 5.0包进行数据清洗和文献计量分析，利用VOSviewer进行关键词共现和共引网络分析，以识别主题集群。

**3. Descriptive Analysis**
本节提供玻璃组件制造AM技术近期进展的描述性分析。
**3.1. Primary Information Analysis**
分析文章的时间分布，显示年增长率20.12%，表明研究领域快速扩展且新研究者兴趣增加。73篇研究文章与5篇综述文章的比例表明该领域处于活跃生产阶段。25%的出版物涉及国际合作，此网络对知识交流和全球传播至关重要。
**3.2. Co-Occurrence and Trends**
共现图显示中心词“玻璃”与“3D打印”高度相关，识别出三个子主题集群：绿色集群聚焦于硅石融合；红色集群关注添加剂和特定应用；蓝色集群强调组件烧结过程和机械性能。趋势分析表明研究从基本特性向制造过程、添加剂作用以及印刷部件热学和光学性能的具体方面转变。
**3.3. Interrelation of Themes and Global Overview**
概念结构分析显示，“运动主题”（高密度和高中心性）驱动机械性能和添加剂分析的研究线；“基本主题”涉及特定材料如氧化铝和硼硅酸盐玻璃；“利基主题”包括光致发光和光纤技术；“低发展度主题”包括传统激光印刷技术和微制造等未来机会。国际合作图显示美国和中国是主要科研生产中心，西欧为另一重要节点。

**4. Thematic Analysis**
**4.1. Glass in Additive Manufacturing: Properties and Applications**
玻璃是一种无机材料，具有硬度、透明性、化学稳定性、可回收性等特性，应用于光学组件、微结构、微流控和生物医学领域。将玻璃直接纳入AM过程面临脆性、高熔点和粘性行为等挑战。
**4.1.1. Types of Glass in AM**
玻璃主要按化学成分分类，最常见的是硅酸盐玻璃（基于SiO₂）。熔融石英（纯度>99%SiO₂）具有优异光学性能，但软化点高（>1500-1700°C），需通过间接方法如立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）或直接墨水书写（DIW）处理，随后进行脱脂和烧结。钠钙玻璃（SiO₂-Na₂O-CaO）加工温度低（~1000-1200°C），成本低，适用于熔融沉积成型（FDM）、定向能量沉积（DED）、DIW和SLA，但热膨胀系数高，易析晶。硼硅酸盐玻璃（SiO₂和B₂O₃基质）具有良好化学稳定性和抗热冲击性，热膨胀系数低（~3-6×10^-6 K^-1），适用于激光定向能量沉积和立体光刻，但热梯度和再沸现象导致残余应力和微裂纹。
**4.1.2. Other Less Common Types of Glass**
磷酸盐玻璃（基于P₂O₅）具有低玻璃化转变温度（T_g）和可调和化学稳定性，适用于光子学和生物医学应用。锗酸盐和锗硅酸盐玻璃具有高透明度，适用于光学组件。铝硅酸盐玻璃（SiO₂-Al₂O₃-Na₂O/K₂O/CaO）具有高弹性模量和硬度，但加工温度高（>1400-1600°C）。硫系玻璃（基于S、Se、Te）在红外波段透明，软化温度低（<400°C），但部分含砷，有毒性问题。生物活性玻璃（BGs）和介孔生物活性玻璃（MBGs）掺杂金属氧化物，用于骨组织工程，通过DIW或DLP打印多孔支架。金属玻璃（BMGs）具有非晶结构，优异机械性能，但受限于剪切带导致脆性破坏。前驱体和墨水方面，纳米复合材料（如光固化树脂负载SiO₂纳米颗粒）和分子/聚合物前驱体（如多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）、氢倍半硅氧烷（HSQ）等）用于高分辨率结构和功能墨水。
**4.1.3. Effects of Glass Viscosity**
玻璃流变学，特别是粘度-温度关系（η(T)），是玻璃AM的关键参数，由Vogel-Fulcher-Tammann（VFT）方程描述。在熔融玻璃挤出打印中，需在粘度范围~10²-10³ Pa·s内操作以获得连续稳定丝材。不同玻璃家族（如硼硅酸盐、铝硅酸盐、硫系）的粘温响应不同，且VFT参数依赖于温度区间选择，不应视为严格不变的材料常数。在DLP中，浆料和墨水流变性决定可打印性，硅悬浮液（~60 wt%固体）在低剪切梯度下粘度约10³-10⁴ mPa·s，优化配方可提高密度和透光率。

**4.2. Additive Manufacturing Technologies Applied to Glass**
**4.2.1. Description and Classification**
直接方法一步成形，间接方法需后处理。根据ISO/ASTM 52900标准，五种常用玻璃AM技术包括：粘合剂喷射（BJT）为间接方法，在室温下打印，避免热应力；定向能量沉积（DED）为直接方法，通过激光或等离子弧熔化并沉积材料，达到高密度和透明度；材料挤出（MEX）涵盖FDM和DIW，FDM直接熔融，DIW在室温下打印膏状材料后需后处理；粉末床熔融（PBF）包括选区激光烧结（SLS）、选区激光熔化（SLM）和激光粉末床熔融（LPBF），SLM/LPBF为直接方法，完全熔化获得致密部件；槽式光聚合（VPP）包括SLA、DLP、双光子聚合（TPP）等，为间接方法，打印绿色体后需热解和烧结。混合方法结合多种技术，如挤出加光聚合、DIW加激光熔化等，以增强几何自由度或功能控制。
**4.2.2. Characteristics and Limitations**
光学与光子学领域，VPP技术（特别是TPP和DLP）提供亚微米分辨率和低表面粗糙度（<6 nm），透射率>92-95%，但受限于构建体积和烧结收缩（~17%）。生物医学工程领域，BJT利用生物陶瓷实现可控孔隙率，但绿色体机械强度低。结构、功能与微流控组件领域，DED和PBF/SLM可制造高密度部件，但存在热应力和表面粗糙度问题。G3DP2技术实现米级制造。表2总结了各技术的分辨率、特性和局限性。

**4.3. Characterization of Printed Parts**
**4.3.1. Printing Parameters**
温度控制影响粘度、层间粘附和热应力；激光/UV光强度和功率决定固化深度和致密化程度；打印速度和进给速率影响丝材形态和界面融合；层厚影响垂直分辨率和表面粗糙度；材料组成和配方（如墨水流变学、粉末粒径分布（PSD））影响挤出性和密度。多材料玻璃AM（MMGAM）面临界面兼容性挑战。特定参数包括TPP中的脉冲能量、DLP中的灰度、BJT中的粘合剂饱和度、MEX中的喷嘴直径。
**4.3.2. Printing Defects**
常见缺陷包括孔隙率与内部气泡（约44%研究报道），由不完全熔合、气体截留或有机分解引起；裂纹（约63%研究报道），由高残余应力、热冲击或差异化收缩引起；表面粗糙度高，源于逐层加工本质；变形或翘曲，由各向异性收缩引起；分层或层间粘合不足，由层间温度差或污染引起。缓解策略包括闭路温度控制、优化后热处理和预加热。
**4.3.3. Testing and Analysis**
常用测试包括扫描电子显微镜（SEM）分析微观结构，X射线衍射（XRD）确认非晶态，紫外-可见光谱测量透射率，三点/四点弯曲测试和纳米压痕评估机械性能，微计算机断层扫描（micro-CT）量化内部孔隙率。专用测试包括光致发光光谱、微拉曼光谱、固态核磁共振（NMR）、流动诱导双折射分析、热冲击测试等。数值分析采用有限元分析（FEA）、计算流体动力学（CFD）和Weibull理论。

**5. Discussion**
**5.1. The Overall Picture and Design**
玻璃AM面临复杂设计挑战，需在几何分辨率、光学透明度和工艺可扩展性之间权衡。VPP技术（SLA、DLP）在精度和微观结构控制方面处于领先地位，可实现高透射率（>80%可见光范围），但线性收缩>20%。BJT和MEX/FDM作为生产导向替代方案，处理温度低，可制造复杂几何形状，但牺牲光学清晰度。大规模玻璃AM优先考虑结构完整性和技术美学，应用于建筑和艺术领域。
**5.2. Physical Mechanisms and Thermomechanical Behavior**
在直接AM过程中（如LPBF），裂纹是热机械问题的直接表现，涉及低热冲击耐受性、温度依赖性粘度和脆性。激光-玻璃相互作用导致热梯度，积累残余应力。在钠钙玻璃中，冷却过程中产生拉伸径向应力，导致裂纹。预加热（硼硅酸盐玻璃至510°C，钠钙玻璃至350°C）可防止裂纹。
**5.3. Dimensional Stability**
间接AM技术（如脱脂和烧结）导致显著线性收缩和几何变形，各向异性收缩需补偿。优化PSD和颗粒形态可部分缓解，但尚未有普遍共识。临界综述强调热后处理在公开文献中研究不足。
**5.4. Glass AM Technologies Versus Conventional Processing**
传统玻璃制造实现均匀高密度和优异光学性能。玻璃AM中，微纳VPP技术（TPP、DLP）成功匹配传统性能，但受限于构建体积和收缩；DED方法实现竞争性透射率，但存在各向异性机械行为和微气泡；LPBF/SLM和FDM/MEX光学性能较差，但适合非光学结构部件。
**5.5. Future Perspectives**
混合方法整合AM与热调理、机械加工或减材步骤，如结合嵌入式挤出与体积AM（VAM），可制造含微流控网络的宏观组件。多材料集成和4D打印（利用智能材料随时间响应环境刺激）为下一代光学和可编程器件提供途径。
**5.6. Sustainability and Glass AM**
直接解决玻璃AM可持续性的文献稀少，但AM可促进循环制造。未来需采用绿色化学和生物基粘合剂，进行标准化生命周期评估，并使用回收玻璃，但面临成分变异和杂质挑战。

**6. Conclusions**
玻璃AM持续增长，以光聚合和挤出技术为主，提供高分辨率宏观结构控制。尚无单一技术能完全复制传统玻璃所有性能，不同技术针对特定应用权衡几何分辨率、透明度和可扩展性。混合技术是前景方向。主要限制包括结果异质性和缺乏标准化方法，以及可持续性定量研究不足。计算建模和数据分析方法正被用于优化工艺参数。