[发明专利]经由3D打印的多组成玻璃结构

说明书

本申请涉及经由3D打印的多组成玻璃结构。生产玻璃结构的方法包括：形成生坯体，其具有第一有机材料基质中的第一玻璃组合物的第一粉末的内层和第二有机材料基质中的第二玻璃组合物的第二粉末的外层，外层覆盖内层的至少两个相对主表面或者所有表面，所述第一玻璃组合物不同于所述第二玻璃组合物，第一和第二粉末分别具有第一和第二烧结温度，第二烧结温度与第一烧结温度相差在0至30℃之内；以及对生坯体进行去粘结和烧结以去除有机材料和将第一和第二玻璃粉末烧结到一起以产生具有所述第一玻璃组合物的内层和所述第二玻璃组合物的外层的经烧结的玻璃结构。

本申请根据35U.S.C.§119，要求2020年3月31日提交的美国临时申请系列第63/003,045号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

技术领域

本公开内容涉及包含多种玻璃组成的玻璃结构的3D打印方法，更具体地，涉及包含多种玻璃组成的玻璃结构的3D打印方法，产生的结构具有增强的强度和/或抗破坏性。

背景技术

对于大多数的3D打印形式，其是一种以增材方式通过材料的2D打印层的积累或层叠产生结构的技术。这种技术最初用于早期产品开发的模拟和/或测试，用于在开始大规模生产之前检验产品外观或者用于检测最终产品设计。近年来，已经开始在各种领域寻求3D打印的扩充应用，因为它可以仅基于数字结构信息(例如CAD绘图)就直接产生结构。具体来说，已经成功地将3D打印机用于生产精密部件和高强度陶瓷部件。

已经采用各种方法对玻璃结构的3D打印进行开拓，包括：从玻璃熔体的直接沉积，通过玻璃丝的熔丝制造(FFF)，以及在负荷下来自玻璃棒的加热头进料的粘性玻璃挤出。这些方法从玻璃熔体或丝或者玻璃棒直接形成玻璃结构。在其他开拓中，已经对基于聚合物的3D成形技术，例如SLA(立体光刻)、数字光生产(DLP)或者其他形式的树脂打印和熔丝制造(FFF)进行改造从而使用玻璃填充的聚合物材料。这些方法需要如下额外步骤：对固化的聚合物-玻璃基质进行去粘结(从其去除聚合物)(通常通过加热进行)，以及对经过去粘结的结构进行烧结以使得玻璃致密化和固结。

之前已经建议将化学强化(离子交换)用于对3D打印的玻璃结构进行强化。提供另一种潜在更为简化的强化方法会是有用的。

发明内容

根据本公开内容的方面，提供了一种产生玻璃结构的方法，该方法包括或包含：首先，形成生坯体，所述生坯体包括或包含：(a)内层，其由第一有机材料基质中的第一玻璃组合物的第一粉末构成，和(b)外层，其由第二有机材料基质中的第二玻璃组合物的第二粉末构成，所述外层在如下地方覆盖所述内层：(i)在内层的至少两个相对主表面上，或(ii)在内层的所有表面上，所述第一玻璃组合物不同于所述第二玻璃组合物，所述第一粉末具有第一烧结温度，所述第二粉末具有第二烧结温度，以及所述第二烧结温度与所述第一烧结温度相差在0至30℃的范围内。该方法其次包括或包含：对生坯体进行去粘结和烧结从而去除所述第一和第二有机材料基质，以及将所述第一玻璃粉末与所述第二玻璃粉末烧结到一起以产生经烧结的玻璃结构，其具有所述第一玻璃组合物的内层和所述第二玻璃组合物的外层。

具体来说，当形成具有精细特征的玻璃结构时，所述第二烧结温度与所述第一烧结温度相差会是在0至20℃的范围内，或者甚至与所述第一烧结温度相差会是在0至10℃的范围内。

为了提供增加的强度和/或抗破坏性，所述第一玻璃组合物具有第一热膨胀系数(CTE)，所述第二玻璃组合物具有第二CTE，所述第一CTE比所述第二CTE大的数值是5x 10^-7至15x 10^-7/°K的范围内。或者，所述第一CTE比所述第二CTE大的数值会是在5x 10^-7至12x10^-7/°K的范围内，或者甚至会是在5x 10^-7至9x 10^-7/°K的范围内。