CN112351959B - 用于玻璃结构的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于形成结构的方法包括：提供玻璃或玻璃陶瓷管状结构(110)，其具有内表面(150)和外表面(160)以及至少部分封闭的端部区域(140)；通过如下方式将玻璃或玻璃陶瓷管状结构(110)至少加热到它的软化点：提供激光束，沿着玻璃或玻璃陶瓷管状结构(110)的内表面引导激光束(130)，至少一些激光束(130)以大于预定入射角的角度进行引导；和激光束(130)撞击到封闭的端部区域(140)，其中，至少一些激光束(130)被玻璃或玻璃陶瓷管状结构的封闭的端部区域(140)吸收；以及使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构或者端部区域中的至少一个相对于彼此移动，从而使得从玻璃或玻璃陶瓷管状结构形成至少二维形状。

Description

用于玻璃结构的增材制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年6月18日提交的美国临时申请系列第62/686,316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。
1.技术领域
本公开内容涉及用于无机材料的增材制造工艺。
2.背景技术
增材制造(AM)(也被称作三维(3D)打印或者快速成型)指的是这样的工艺，其中，在计算机控制下，通过例如挤出沉积、光聚合化、粉末床烧结、层叠和金属丝沉积来形成材料层从而产生三维物体。常规AM工艺通常采用聚合物、金属和陶瓷。
玻璃和玻璃陶瓷材料的增材制造通常涉及基于激光的较少粘合剂的方案(例如，玻璃制管、粉末床熔合和吹制玻璃粉末)；但是，传统AM工艺存在不必要的复杂设备构造问题。例如，在采用玻璃制管的AM中，需要多个激光束(至少3个)从而对玻璃制管进行均匀的外部加热。可以对熔化的玻璃进行沉积或操控以形成玻璃制品。可以通过对单个激光束进行分束，通过采用多个激光，或者采用由光学件产生的多个反射来产生多个束。因此，用于玻璃和玻璃陶瓷材料的常规AM工艺引入了系统复杂度和潜在的激光束对于形成的玻璃制品的干扰。
本申请公开了用于无机材料的改进的增材制造工艺。具体来说，本公开内容涉及能够对玻璃和玻璃陶瓷进行精确三维成形的增材制造工艺。
发明内容
在一些实施方式中，用于形成结构的方法包括：提供玻璃或玻璃陶瓷管状结构，其具有内外表面和至少部分封闭的端部区域；通过如下方式将玻璃或玻璃陶瓷管状结构至少加热到它的软化点：(i)提供激光束；(ii)沿着玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内表面引导激光束；(iii)其中，至少一些激光束以大于预定入射角的角度进行引导；和(iv)激光束撞击到封闭的端部区域从而使得至少一些激光束被玻璃或玻璃陶瓷管状结构的封闭的端部区域吸收；以及使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构或者端部区域中的至少一个相对于彼此移动，从而使得从玻璃或玻璃陶瓷管状结构形成至少二维形状。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，提供激光束的步骤包括经由光学透镜将激光束引导进入到玻璃或玻璃陶瓷管状结构中。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，提供激光束的步骤包括经由玻璃或聚合物纤维将激光置于玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内部。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，玻璃或聚合物纤维是空心的并且具有内表面，其中，束经由以大于预定入射角的角度从内表面的反射传输通过玻璃或聚合物纤维。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，玻璃或聚合物纤维不是空心的，并且束经由总内反射传输通过玻璃或聚合物纤维。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，玻璃或聚合物纤维具有径向对称折射率(index)分布。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，所述预定入射角是85°或更大。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，激光束的波长是2μm至12μm。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，激光束具有包括LP01、LP02、LP03、LP31或LP21的线性偏振LP模式。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构在激光束的波长具有至少0.05的吸收率。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构具有外直径和内直径，所述外直径是500μm至10mm，以及所述内直径是50μm至9mm。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，所述至少二维形状是三维形状。
在一些实施方式中，形成制品的方法包括：提供具有外表面、外直径和端部区域的玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构；提供具有内表面、外表面、内直径、外直径和聚焦区域的玻璃或玻璃陶瓷管状结构，其中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径大于玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构的外直径；将玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构放置在玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内部，从而使得圆柱形结构的端部区域位于管状结构的聚焦区域中；通过如下方式将玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构至少加热到它的软化点：(i)提供激光束；(ii)经由总内反射使得激光束引导通过玻璃或玻璃陶瓷管状结构；(iii)其中，至少一些激光束离开聚焦区域；和(iv)激光束撞击到端部区域从而使得至少一些激光束被端部区域吸收；以及使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构或者端部区域中的至少一个相对于彼此移动，从而使得从玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构形成至少二维形状。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构包括具有内表面的空心管，以及其中，所述端部区域是至少部分封闭的。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，激光束的波长是2μm至12μm。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，提供激光束的步骤包括经由玻璃或聚合物纤维将激光置于玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内部。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，玻璃或聚合物纤维具有径向对称折射率分布。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，激光束具有包括LP01、LP02、LP03、LP31或LP21的线性偏振LP模式。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构在激光束的波长具有至少0.05的吸收率。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构的外直径是500μm至10mm，而玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径是50μm至9mm；以及玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构的外直径是1mm至20mm。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构的外直径是2mm至7mm，而玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径是至少从激光束的波长到6.95mm；以及玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构的外直径是2mm至7mm。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，所述至少二维形状是三维形状。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，方法还包括使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内表面的一部分锥形化，从而使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径增加到接近玻璃或玻璃陶瓷管状结构的外直径。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，方法还包括使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构的外表面的一部分锥形化，从而使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构的外直径减小到接近玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径。
在一些实施方式中，形成结构的方法包括：提供具有封闭端部区域的玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构；通过如下方式将玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构至少加热到它的软化点：(i)提供激光束；和(ii)使得激光束撞击到封闭端部区域上，从而使得至少一些激光束被封闭端部区域吸收；以及移动端部区域从而使得从玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构形成至少二维形状。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，提供激光束的步骤包括经由透镜、镜子或反射器引导激光束。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，透镜是轴棱锥透镜，镜子是抛物面镜，以及反射器是圆锥形反射器。
在能够与任意其他方面或实施方式相结合的一个方面中，引导激光束包括：经由透镜将激光束转变为发散环形激光束；以及经由镜子将发散环形激光束转变为恒定直径环形束。
从以下详细描述、附图和所附权利要求书能明显地看出这些及其他方面、优点和显著特征。
附图说明
至于附图，大致来说，会理解的是，图示用于描述具体实施方式，并且不构成对本公开内容或所附权利要求的限制。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意图方式显示。
结合附图，通过以下详细描述会更好地理解本公开内容，其中：
图1显示根据一些实施方式的内部激光加热示意图，其中，采用聚焦透镜将光耦合进入玻璃管中。
图2显示根据一些实施方式的内部激光加热示意图，其中，采用光纤将光耦合进入玻璃管中。
图3显示采用光纤的内部激光加热示意图的实验方案。
图4显示根据一些实施方式的内部激光加热示意图，其中，采用光纤将光耦合进入玻璃管中。
图5显示根据一些实施方式的内部激光加热示意图，其中，通过光纤传输光。
图6显示根据一些实施方式的内部激光加热示意图，其中，通过光纤传输光。
图7显示具有轴椎体、抛物面镜和圆锥形反射器的组合的玻璃管加热机制。
图8显示EAGLE 玻璃上，9.4μm(CO2激光波长)时的反射系数与入射角的函数关系图。
具体实施方式
下面详细参考示例性实施方式，这些实施方式在附图中示出。只要可能，在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部分。附图中的组件不一定是成比例的，相反地，进行了突出强调来显示示例性实施方式的原理。应理解的是，本申请不限于说明书所述或者附图所示的细节或方法。还应理解的是，术语仅仅是用于描述目的并且不应被认为是限制性的。此外，在本说明书中列出的任何实例都不是限制性的，并且仅列出了要求保护的本发明的诸多可能的实施方式中的一些实施方式。
常规的基于激光的较少粘合剂的玻璃和玻璃陶瓷制品的增材制造方法包括玻璃制管、粉末床熔合和吹制玻璃粉末方案。具体来说，常规玻璃制管工艺涉及使用多个激光束从不同方向对玻璃制管的外表面进行加热。例如，玻璃制管沿着z轴以垂直方向拉制，并且沿着x轴和y轴以近似垂直方向进行加热。然后，可以对所得到的熔化的玻璃进行沉积或操控以形成玻璃制品。为了实现玻璃制管外表面上的热分散均匀性，需要至少三个激光束(例如，通过对一个激光束进行分束，采用多个激光束，或者采用多次光学反射)。这种构造通常是大体积且复杂的，并且引入了激光束与刚制造得到的玻璃制品的潜在干扰。
本申请公开了采用内部激光加热的玻璃增材制造方法，其中，采用透镜或光纤使得激光与玻璃制管耦合。
图1显示根据一些实施方式的内部激光加热示意图，其中，采用聚焦透镜将光耦合进入玻璃管中。构造100包括：(未示出的)激光束源，其沿着x轴(即，纵向)放置成距离玻璃或玻璃陶瓷管状结构110预定的距离；以及放置在激光束源与管状结构110之间的聚焦透镜120。管状结构110具有部分封闭的端部区域140、内表面150和外表面160。经由聚焦透镜120将激光束130引导进入并沿着玻璃或玻璃陶瓷管状结构110的内表面150。在一些实践方式中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构具有长度范围是500μm至10mm的外直径以及长度范围是50μm至9mm的内直径。
激光束源可以包括气体激光，例如：CO2(波长，λ＝9.4μm至10.6μm)；CO(λ＝2.6μm至4μm；4.8μm至8.3μm)；中IR混合激光(λ＝1.64μm至5.2μm)；HeNe(λ＝543.5nm至3.39μm)；N2(λ＝244nm至528.7nm)；HF(λ＝2.7μm至2.9μm)；氟化氘(λ＝3.8μm)；F2(λ＝157nm)；惰性气体化合物(ArF(λ＝193nm)，KrCl(λ＝222nm)，KrF(λ＝248nm)，XeCl(λ＝308nm)，和XeF(λ＝351nm))；Ar(λ＝351nm至528.7nm)；金属蒸汽(HeAg(λ＝224nm)，NeCu(λ＝248nm)，和HeCd(λ＝325nm))；或其组合。在一些实施方式中，激光束的波长是0.1μm至12μm。在一些实施方式中，激光束的波长是2μm至12μm。
激光束可以具有线性偏振(LP)模式，其包括：LP01、LP02、LP03、LP04、LP11、LP12、LP13、LP21、LP22、LP23、LP31、LP32、LP41、LP42、LP51、LP52、LP61、LP71。在一些实施方式中，激光束具有线性偏振LP模式，其包括：LP01、LP02、LP03、LP31或LP21。激光束可以运行在100mW至1000W的功率范围。在一些例子中，激光束可以运行在1W至500W或者5W至100W或者10W至50W的功率范围(例如，20W)。
当激光束130沿着玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内表面150传播时，一部分的激光束以大于预定入射角θ的角度冲击内表面。在一些实施方式中，预定入射角是75°或更大。在一些实施方式中，预定入射角是80°或更大。在一些实施方式中，预定入射角是85°或更大。由于这种高的入射角θ，冲击玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内表面的光主要被反射并且能够多次表面反射(在到达端部区域140之前)，没有明显的能量耗散。
在一个例子中，图8显示EAGLE 玻璃上的CO2激光束(λ＝10.6μm)的反射系数与入射角之间的函数关系。在较高入射角的情况下(例如，至少85°)，大多数的光被反射(即，约50％的p偏振光和约85％的s偏振光)。在法向入射时(即，入射角等于0°)，仅约14％的激光被反射，而大于80％的光能被玻璃吸收。
透镜可以是能够实现以预定入射角至少为75°或者至少为80°或者至少为85°的方式对激光束进行聚焦的任意合适类型(并且可以放置在激光束源与管状结构之间的任意合适的位置)。例如，透镜可以是以下至少一种：双凸，平-凸，正弯月面，负弯月面，平-凹，双凹，或其组合。在一些实践方式中，透镜可以具有0.05至0.5的数值孔径。
由于入射角θ，激光能够以最小能量损耗沿着玻璃或玻璃陶瓷管状结构110传播并且以接近法向入射冲击端部区域140，从而导致能量吸收和将端部区域140加热至玻璃加工范围。端部区域140的玻璃加工范围对应于4至7.6Log10泊的粘度。如本文所用，“接近法向”指的是激光的撞击角为80°±10°。在一些实践方式中，一部分的激光也可能以落在接近法向入射范围外的角度冲击端部区域。换言之，激光束130撞击到封闭端部区域140上，使得至少一些激光束被玻璃或玻璃陶瓷管状结构的封闭端部区域吸收。
作为能量吸收的结果，端部区域被加热到它的玻璃加工温度的温度范围，这是对应于玻璃开始变软的点(例如，7.6x 108dPa·s，或者玻璃软化点)到玻璃太软到难以控制的点(例如，约104dPa·s)的温度范围。在一些实施方式中，管状结构和/或端部区域可以是包含以下至少一种的材料：康宁康宁/>康宁/>康宁康宁EAGLE />康宁/>或者康宁IRISTM玻璃，例如如美国专利第8,367,208号、第8,598,055号、第8,763,429号、第8,796,165号和第9,517,967号以及美国专利公开第2014/0106172号和第2015/0140299号所示，它们全文通过引用结合入本文。在一些实践方式中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构和/或端部区域在激光束的波长处具有至少0.05的吸收率。
由于本文用于加工玻璃的激光(CO2、CO等)的渗透深度是数百微米或更小，上文所公开的激光束与玻璃的相互作用被限制在玻璃制管内，从而消除了潜在的安全危害。此外，当激光束与端部区域的中心对齐时，均匀地进行加热从而实现了均匀的软化温度。作为结果，由于表面张力，熔化的端部区域坍塌成实心熔融玻璃，其在后续增材制造工艺步骤中被用于(即，消耗用于)制造玻璃制品。例如，玻璃或玻璃陶瓷管状结构或者端部区域中的至少一个相对于彼此移动从而使得从玻璃或玻璃陶瓷管状结构形成了至少二维的形状。在一些实践方式中，所述至少二维的形状是三维形状。可以在支撑基材上产生三维形状的制品，或者可以产生作为未受支撑的空间上独立的结构。
在一些例子中，激光束源、玻璃或玻璃陶瓷管状结构和/或端部区域位移以实现连续熔化和加工。在一些例子中，可以在真空环境中运行系统以促进熔化的端部区域的坍塌。在一些例子中，管状结构110可以转动。
可以经由用于玻璃和玻璃陶瓷且本领域众所周知的最传统的方法对由增材制造形成的玻璃制品进行后加工，例如：经由离子交换进行化学回火，化学或物理蚀刻，抛光等。
图2显示根据一些实施方式的内部激光加热示意图，其中，采用光纤将光耦合进入玻璃管中。构造200显示激光束230，其沿着空心纤芯引导光纤220传播，其最终由光纤220进行发射，并且最终以等于或大于预定入射角θ的角度沿着玻璃或玻璃陶瓷管状结构210的内表面250传输。在一些例子中，构造200的引导光纤220不是空心的，并且激光束230经由总内反射传输通过光纤。在一些例子中，光纤可以具有圆形或者椭圆形形状的横截面轮廓。在一些例子中，光纤具有径向对称的折射率分布。管状结构210具有部分封闭的端部区域240、内表面250和外表面260。类似于上文的构造100，激光束230撞击端部区域240从而将其至少加热到它的软化点。由此，构造200结合了上文所述的构造100的相关元素，例如：激光束和/或源特性，入射角θ机制，材料，以及端部区域的加热动力学。
在一些实施方式中，通过如下方式完成激光与玻璃管的耦合：经由(具有远端270和近端280的)玻璃或聚合物纤维220，在玻璃或玻璃陶瓷管状结构210内部提供激光。例如，在一些实施方式中，光纤220可以是包含以下至少一种的材料：二氧化硅，氟基玻璃(例如，含氟锆酸盐、含氟铝酸盐等)，磷基玻璃(例如，各种金属的偏磷酸盐)，硫属化物玻璃(例如，包含至少一种硫族元素(硫、硒、碲，但是排除氧))，晶体材料(例如，蓝宝石，FIR透射多晶AgClxBry)，PMMA(丙烯酸类)，氟化聚合物，无定形氟化聚合物(例如，聚(全氟-丁烯基乙烯基醚))，或其组合。在一些例子中，远端或者近端中的任一个(例如，在尖端处)可以包含聚焦透镜。
因此，可以取决于激光源特性、所用的光纤材料、端部区域材料、以及用于形成玻璃制品的所得到的熔融玻璃所需要的性质来改变远端270与端部区域240之间的距离。远端与端部区域之间的距离可以在1mm至1000mm的范围内变化。在一些例子中，，远端与端部区域之间的距离可以是如下范围：25mm至750mm，或者50mm至500mm，或者75mm至250mm(例如，100mm)。
当激光束230离开光纤220时，束230在抵达密封的端部区域240之前从玻璃或玻璃陶瓷管状结构210的内表面250多次反射走。类似于构造100，由于束230与内表面250的多次撞击的能量吸收，玻璃或玻璃陶瓷管状结构210的壁可以经受最小化的加热。玻璃或玻璃陶瓷管状结构210通过内表面250的能量吸收引发了端部区域240的预热，从而降低了热冲击。尽管通过侧壁吸收了一部分的激光束的能量，但是其大部分以接近法向入射抵达密封端部区域，并且主要被吸收，小部分被反射。确定激光特性(即，功率，相对于端部区域的距离等)从而实现端部区域熔化。因此，通过激光加热与热传导的组合，端部区域可以逐渐熔化。
在一些例子中，采用空心纤芯CO2激光纤维将CO2激光束耦合到钠钙玻璃管状结构中。由于优先加热，端部区域熔化，并且随着管状结构和端部区域移动远离CO2激光光纤的远端，熔化的玻璃被用于增材制造工艺来形成玻璃制品。在一些例子中，可以通过从近端拉开，使得移动远离含激光束源的光纤的远端来形成玻璃制品。在一些例子中，可以通过同时移动管状结构和端部区域以及光纤的远端来形成玻璃制品。管状结构/端部区域或者光纤的远端的相对移动速度可以是1mm/s至100mm/s。在一些例子中，管状结构/端部区域或者光纤的远端的相对移动速度可以是5mm/s至50mm/s(例如，10mm/s)，从而形成Y形状的玻璃制品。
图3显示采用光纤(例如，如构造200那样)的内部激光加热示意图的实验方案300，其中，激光束330沿着引导光纤320传播，在那里，其最终通过光纤320发射，并且最终朝向玻璃或玻璃陶瓷管状结构的目标端部区域340沿着玻璃或玻璃陶瓷管状结构310的内表面传输。虽然图3显示为垂直取向，但是可以以任意布置构造类似方案，这没有背离本公开内容的范围和精神(例如，水平，旋转180°等)。
图4显示根据一些实施方式的内部激光加热示意图，其中，采用光纤将光耦合进入玻璃管中。构造400显示激光束430沿着引导光纤420传播，在那里，其最终通过光纤420发射，并且最终朝向玻璃或玻璃陶瓷管状结构的端部区域440沿着玻璃或玻璃陶瓷管状结构410的内部传输。类似于上文的构造100和200，激光束430撞击端部区域440从而将其至少加热到它的软化点。
在图4的构造中，可以在激光束与玻璃或玻璃陶瓷管状结构之间的相互作用是无关紧要的范围内改变远端450与端部区域440之间的距离。换言之，存在被玻璃或玻璃陶瓷管状结构吸收的最小能量，从而不存在端部区域440的预热。因此，几乎所有的激光束能量以接近法向入射抵达密封端部区域，并且主要被吸收，小部分被反射。确定激光特性(即，功率，相对于端部区域的距离等)从而实现端部区域熔化。因此，通过激光加热可以逐渐熔化端部区域。在一些例子中，远端与端部区域之间的距离可以是1mm至100mm的范围。在一些例子中，远端可以包括聚焦透镜(例如，在尖端处)。
由此，构造400结合了上文所述的构造200的相关元素，例如：光纤材料以及特性和移动速度。
图5显示根据一些实施方式的内部激光加热示意图，其中，通过光纤传输光。构造500显示通过总内反射传播通过实心纤芯引导光纤510(即，玻璃或玻璃陶瓷管状结构)的激光束520，在那里，其最终通过引导光纤510的聚焦区域530发射从而对玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构550的端部区域540进行加热。当激光束520经由总内反射穿过管状结构510时，由于来自束的多次撞击的能量吸收，管状结构510的壁可能经受最小化的加热。在一些例子中，引导光纤可以是具有内表面的空心管、连续的实心管，或其组合。
玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构550具有外表面、外直径以及至少部分封闭的端部区域540。圆柱形结构可以是具有内表面的空心管、连续的实心管，或其组合。在一些例子中，玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构的外直径是1mm至20mm。在一些例子中，玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构的外直径可以是2mm至7mm。
管状结构510具有内表面570、外表面580、内直径、外直径和聚焦区域530。纵向地沿着x轴直到抵达聚焦区域530，管状结构510可以具有近似均匀厚度。在这个接合点处，内表面570限定了聚焦区域530的部分锥形化(或者，例如弯曲)从而内直径增加并接近外直径。随着激光束520经由总内反射传播通过管状结构510的均匀厚度部分560，束在被外表面580限定的边界与被内表面570限定的边界之间的冲击振荡。束仍然被限制在管状结构510中，因为其冲击内表面570或外表面580中的任一个的角度(即，入射角)大于相对于与表面呈法向的临界角。如果在管状结构外部的折射率较低，并且入射角大于临界角，则激光束无法穿过由外表面580限定的边界以及由内表面570限定的边界，并且因此被完全反射。临界角是高于其就发生总内反射的入射角。
基于所需的焦点(即，圆柱形结构550放置在管状结构510内部从而使得圆柱形结构的端部区域540经受激光加热加工的区域)，预先确定了聚焦区域530中的内表面570的锥形部分的角度和长度。锥形部分(基于锥形内表面570的角度和长度)改变了撞击束的入射角，从而其变得小于相对于与表面呈法向的临界角，从而允许激光束离开管状结构510并朝向圆柱形结构550的端部区域540，所述端部区域540被至少加热到它的软化点。
在一些例子中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构的外直径可以是500μm至10mm，而玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径是50μm至9mm。在其它例子中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构的外直径是2mm至7mm，而玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径是至少从激光束的波长到6.95mm的范围。在一些例子中，管状结构的内直径大于圆柱形结构的外直径。
端部区域540熔化，以及熔化的玻璃被用于后续增材制造工艺来形成玻璃制品。管状结构510或者端部区域中的至少一个相对于彼此移动从而使得从玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构形成了至少二维的形状。
由此，构造500结合了上文所述的构造100、200和400的相关元素，例如：激光束和/或源特性，材料，以及端部区域的加热动力学，光纤材料和特性，以及移动速度。
图6显示根据一些实施方式的内部激光加热示意图，其中，通过光纤传输光。构造600显示通过总内反射传播通过实心纤芯引导光纤610(即，玻璃或玻璃陶瓷管状结构)的激光束620，在那里，其最终通过引导光纤610的聚焦区域630发射从而对玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构650的端部区域640进行加热。当激光束620经由总内反射穿过管状结构610时，由于来自束的多次撞击的能量吸收，管状结构610的壁可能经受最小化的加热。在一些例子中，引导光纤可以是具有内表面的空心管、连续的实心管，或其组合。
玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构650具有外表面、外直径以及至少部分封闭的端部区域640。圆柱形结构可以是具有内表面的空心管、连续的实心管，或其组合。在一些例子中，玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构的外直径是1mm至20mm。在一些例子中，玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构的外直径可以是2mm至7mm。
管状结构610具有内表面670、外表面680、内直径、外直径和聚焦区域630。纵向地沿着x轴直到抵达聚焦区域630，管状结构610可以具有近似均匀厚度的部分660。在这个接合点处，外表面680限定了聚焦区域630的部分锥形化(或者，例如弯曲)从而当其接近内表面670时使得外直径增加并接近内直径。
类似于构造500，激光束620传播通过管状结构610的均匀厚度部分660，束在被外表面680限定的边界与被内表面670限定的边界之间的冲击振荡。束仍然被限制在管状结构610中，因为内表面670或外表面680中的任一个的入射角大于相对于与表面呈法向的临界角。基于所需的焦点，预先确定聚焦区域630中的外表面680的锥形部分的角度和长度。锥形部分改变了撞击束的入射角，从而其变得小于相对于与表面呈法向的临界角，从而允许激光束离开管状结构610并朝向圆柱形结构650的端部区域640，所述端部区域640被至少加热到它的软化点。换言之，聚焦区域630可以被机械加工成锐角从而起到反射器的功能。激光束620经由总内反射或者反射涂层朝向端部区域640反射。
端部区域640熔化，以及熔化的玻璃被用于后续增材制造工艺来形成玻璃制品。管状结构610或者端部区域中的至少一个相对于彼此移动从而使得从玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构形成了至少二维的形状。
由此，构造600结合了上文所述的构造100、200、400和500的相关元素，例如：激光束和/或源特性，材料，以及端部区域的加热动力学，光纤材料，圆柱形结构和/或管状结构的尺寸构造，以及特性和移动速度。
图7显示通过激光束720对玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构710的端部区域730进行加热的构造700，该构造具有轴椎体透镜740、抛物面镜750和圆锥形反射器760的组合。当其冲击抛物面镜750时，轴椎体透镜740将圆形激光束转化为发散环形束。可以通过抛物面镜750将发散环形束转化为恒定直径环形束。在一些例子中，抛物面镜750可以构造成在预定位置包含孔，从而允许插入玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构710，从而端部区域730变成激光束720从圆锥形反射器760反射走之后的焦点以实现圆柱形结构710的均匀加热。
或者，包含IR透射材料(例如，Ge、ZnSe等)的圆柱形集中器光学件(未示出)可以替代圆锥形反射器760或者一起结合使用。所有的IR透射材料都在CO2激光波长具有高折射率。对于Ge和ZnSe，采用10.6μm波长CO2激光的临界角是14.5°和24.6°。在入射角大于临界角时，激光束被总内反射。可以在入口表面和出口表面施涂减反射涂层以增加激光束的透射。
端部区域730熔化，以及熔化的玻璃被用于后续增材制造工艺来形成玻璃制品。端部区域730可以相对于轴椎体透镜740、抛物面镜750、圆锥形反射器760和/或圆柱形集中器光学件的组合移动，从而由玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构形成至少二维的形状。
由此，构造700结合了上文所述的构造100、200以及400-600的相关元素，例如：激光束和/或源特性，材料，以及端部区域的加热动力学，光纤材料，圆柱形结构和/或管状结构的尺寸构造，透镜特性，以及特性和移动速度。
因此，如本文所提供的那样，本申请公开了采用内部激光加热的玻璃增材制造方法，其相比于其他机械加工方法可以提供成本节省和/或改进的时间线，并且实现了具有常规AM工艺无法获得的独特性质的高分辨率三维激光加工的玻璃或玻璃陶瓷制品。例如，虽然加工类似于聚合物体系，但是三维AM打印的制品具有的性质与常规树脂或聚合物树脂体系是非常不同的，例如高强度和硬度。此外，本公开内容简化了增材制造玻璃打印工艺；提供了玻璃的均匀加热；消除了激光束传递与光纤进料工艺和散射光的干扰以及不合乎希望的激光加热；实现了同时对多个玻璃纤维进行加热；以及实现了采用具有不同组成的多制管的玻璃增材制造。
如本文所用，术语“近似”、“约”、“基本上”以及类似术语旨在具有本公开内容所属主题的本领域技术人员普遍一致和接收使用的宽范围的含义。阅读本公开内容的本领域技术人员应理解的是，这些术语旨在实现对所述和所要求保护的某些特征进行描述，而没有将这些特征限制到所提供的精确数字范围。因此，这些术语应解读为表明所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或变化被认为是在所附权利要求中所述的本发明的范围内。
如本文所用，“任选的”或“任选地”等旨在表示随后描述的事件或情况可能出现或者可能不出现，并且该描述包括所述事件或情况发生的实例及不发生的实例。除非另外说明，否则本文所用的不定冠词“一个”或“一种”及其相应的定冠词“该”表示至少一(个/种)，或者一(个/种)或多(个/种)。
本文所涉及的元素的位置(例如，“顶部”、“底部”、“高于”、“低于”等)仅仅用于描述附图中的各种元素的取向。应注意的是，根据其他示例性实施方式，各种元素的取向可以是不同的，并且此类变化旨在被包含在本公开内容中。
对于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据上下文和/或应用适当地从复数转换为单数和/或从单数转换为复数。为清楚起见，本文可能明确地阐述各种单数/复数排列。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离所要求保护的主题的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。因此，除了所附权利要求书及其等价形式外，所要求保护的主题不受限制。

Claims (24)

1.一种形成结构的方法，其包括：
提供具有内表面和外表面以及至少部分封闭的端部区域的玻璃或玻璃陶瓷管状结构；
通过如下方式将玻璃或玻璃陶瓷管状结构至少加热到它的软化点：
(i)提供激光束；
(ii)沿着玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内表面引导激光束；
(iii)其中，以大于预定入射角的角度对至少一些激光束进行引导，所述预定入射角是75°或更大，所述预定入射角指代玻璃或玻璃陶瓷管状结构的法向到内表面；和
(iv)激光束撞击到封闭端部区域上，使得至少一些激光束被玻璃或玻璃陶瓷管状结构的封闭端部区域吸收；以及
使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构或者端部区域中的至少一个相对于彼此移动从而使得从玻璃或玻璃陶瓷管状结构形成了至少二维的形状。
2.如权利要求1所述的方法，其中，提供激光束的步骤包括经由光学透镜将激光束引导进入玻璃或玻璃陶瓷管状结构中。
3.如权利要求1所述的方法，其中，提供激光束的步骤包括经由玻璃或聚合物纤维将激光置于玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内部。
4.如权利要求3所述的方法，其中，玻璃或聚合物纤维是空心的且具有内表面，其中，束经由以大于所述预定入射角的角度从内表面反射走传输通过玻璃或聚合物纤维。
5.如权利要求3所述的方法，其中，玻璃或聚合物纤维不是空心的，以及束经由总内反射传输通过玻璃或聚合物纤维。
6.如权利要求3所述的方法，其中，玻璃或聚合物纤维具有径向对称折射率分布。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述预定入射角是85°或更大。
8.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，激光束的波长是2μm至12μm。
9.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，激光束具有包括LP01、LP02、LP03、LP31或LP21的线性偏振LP模式。
10.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构在激光束的波长具有至少0.05的吸收率。
11.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构具有外直径和内直径，所述外直径是500μm至10mm，以及所述内直径是50μm至9mm。
12.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述至少二维的形状是三维形状。
13.一种形成制品的方法，其包括：
提供具有外表面、外直径和端部区域的玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构；
提供具有内表面、外表面、内直径、外直径和聚焦区域的玻璃或玻璃陶瓷管状结构，其中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径大于玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构的外直径；
将玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构放置在玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内部，从而使得圆柱形结构的端部区域置于管状结构的聚焦区域中；
通过如下方式将玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构至少加热到它的软化点：
(i)提供激光束；
(ii)经由总内反射引导激光束通过玻璃或玻璃陶瓷管状结构；
(iii)其中，至少一些激光束离开聚焦区域；和
(iv)激光束撞击到端部区域上从而使得至少一些激光束被端部区域吸收；以及
使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构或者端部区域中的至少一个相对于彼此移动从而使得从玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构形成了至少二维的形状。
14.如权利要求13所述的方法，其中，玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构包括具有内表面的空心管，以及其中，所述端部区域是至少部分封闭的。
15.如权利要求13所述的方法，其中，激光束的波长是2μm至12μm。
16.如权利要求13所述的方法，其中，提供激光束的步骤包括经由玻璃或聚合物纤维将激光束置于玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内部。
17.如权利要求16所述的方法，其中，玻璃或聚合物纤维具有径向对称折射率分布。
18.如权利要求13所述的方法，其中，激光束具有包括LP01、LP02、LP03、LP31或LP21的线性偏振LP模式。
19.如权利要求13所述的方法，其中，玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构在激光束的波长具有至少0.05的吸收率。
20.如权利要求13所述的方法，其中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构的外直径是500μm至10mm，而玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径是50μm至9mm；以及玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径大于玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构的外直径。
21.如权利要求13所述的方法，其中，玻璃或玻璃陶瓷管状结构的外直径是2mm至7mm，而玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径是至少从激光束的波长到6.95mm；以及玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径大于玻璃或玻璃陶瓷圆柱形结构的外直径。
22.如权利要求13所述的方法，其中，所述至少二维的形状是三维形状。
23.如权利要求13-22中任一项所述的方法，其还包括：使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内表面的一部分锥形化，从而使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径增加到接近玻璃或玻璃陶瓷管状结构的外直径。
24.如权利要求13-22中任一项所述的方法，其还包括：使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构的外表面的一部分锥形化，从而使得玻璃或玻璃陶瓷管状结构的外直径减小到接近玻璃或玻璃陶瓷管状结构的内直径。
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