[发明专利]用于通过增材制造由高纯度透明石英玻璃生产模制品的组合物和方法

说明书

本发明涉及用于通过增材制造由高纯度透明石英玻璃生产模制品的组合物和方法。该组合物包含直径在7至100nm的范围内的石英玻璃颗粒，在室温下以液体形式存在的可聚合有机粘结剂，和聚合引发剂或交联剂。

技术领域

本发明涉及用于通过增材制造(additive manufacture)生产由高纯度透明石英玻璃制成的模制品的组合物和方法。

背景技术

当用于三维结构的增材制造的方法与常规生产方法相比较时，用于三维结构的增材制造的方法具有不需要预制模型(prefabricated matrix)的优势，该预制模型预先确定待制造体的几何形状。因为增材制造提供可自由选择的三维成形，因而其可以以低成本满足特定客户的需求，并且还可以廉价且快速地生产原型(prototype)。因此，应用于增材制造的生产方法所使用的另一表述为“快速成型法(rapid prototyping process)”(RP法)。

现有技术中所描述的增材制造方法主要适用于聚合物组件的生产。例外是基于选择性激光烧结的方法，其中也可以使用金属和陶瓷材料例如氧化铝。就可自由构造的玻璃体的生产而言，例如如在US 2004/0118158A1中以示例的方式所述，有一种已知的选择性激光烧结方法，其提供在粉末浴中石英玻璃纳米颗粒的局部熔化和所述颗粒的压实以得到玻璃体。然而，该方法的不利方面为所需的高工艺温度和所得到的工厂要求。此外，该方法对于玻璃组件的自由形式生产仅具有有限的可能性，因为在制造过程中发生显著的收缩并且影响所得玻璃组件的部件。因此，所得到的玻璃模制品表现出严重的局部翘曲，并且还具有高的内应力。此外，通过该方法获得的玻璃组件的表面品质大多数不令人满意，这是因为选择性激光烧结导致高粗糙度，并因此导致低的光学透明度。

用于玻璃组件的增材制造的另一种方法是基于称为熔融成层(melt layering)(熔融沉积成形，FDM)的方法的RP法。用于生产玻璃组件的修改的FDM方法在US 2015/0307385 A1中描述，并且使用玻璃原丝(glass strand)代替聚合物长丝作为基材。玻璃原丝在高温喷嘴中熔融并且施加在腔室内。根据Luo等人(Journal of ManufacturingScience and Engineering 2014,136,061024)，这里也可以通过激光来实现玻璃原丝的熔融。由此通过高温喷嘴的受控三维运动形成三维玻璃结构体，最后在冷却后获得所期望的玻璃组件。然而，在所得玻璃模制品中，玻璃原丝的原始长丝结构仍然可见。此外，通过上述方法可实现的细节分辨率受到限制，导致高表面粗糙度并因此导致低表面品质。

最后，现有技术还描述了用于生产玻璃模制品的其它方法。在此对玻璃模制品的结构化的描述也有变化。在这种情况下，玻璃的加工常常局限于高温工艺；为了降低熔融温度，在这里将大量的晶体形成剂(crystal-former)添加至技术玻璃中。这些玻璃通常会失去作为石英玻璃的已知特性的延伸至UV区域的高光学透射率。

US 2015/0224575 A1描述了一种使用混合热塑性基质的3D打印方法。它由可以分别在不同温度下热去除和分解的两种组分组成。这里的方法基于呈现热塑性形式的有机粘结剂，其用光固化墨选择性地处理，从而产生局部结构化的可能性。该方法的不利方面为以下事实：需要非常复杂的粘结剂体系(即，除了UV固化墨以外还需要至少两种热塑性塑料)，并且仍然存在与传统3D打印相关的缺点，例如粗糙度高和光学透射率差。因此，所得基材的光学和机械品质低。

在US 6,829,908中描述了使用基于粉末的方法生产透明玻璃的少数几种方法之一。然而，这里为了获得足够的密度，玻璃体必须在烧结过程中暴露于压力下；这使得自由成形几乎不可能。这里的热处理还必须在受控气氛中进行，例如在如US 6,576,578中所述的氢气下，或在如US 5,679,125中所述的干燥的反应性气体中进行。此外，US 4,849,001描述了该方法的工艺修改。此处，另外使用有机粘结剂基质。