Скло як матеріал для 3D-друку: що це і як працює

Скло здається не найочевиднішим вибором для 3D-принтера, але сучасні технології вже дозволяють друкувати з нього складні прозорі об’єкти. Від мікроскопічних лінз до триметрових колон -цей матеріал поєднує давню традицію з адитивним виробництвом. Розглянемо, як саме скло адаптували для друку і де його застосовують.

Чому скло взагалі взяли в 3D-друк

Скло завжди приваблювало міцністю, прозорістю та стійкістю до зовнішніх впливів. Тепер його друкують на 3D-принтерах, створюючи об’єкти, які раніше вимагали складних форм і печей. Ця стаття розкаже, як саме працює друк склом, які методи існують, де їх застосовують і що варто знати, якщо плануєте спробувати самостійно.

Традиційне скло формують розплавом або видуванням. Процес дорогий, повільний і обмежений простими формами. 3D-друк вирішує ці проблеми. Він дозволяє створювати складні геометрії без додаткових інструментів. Скло ж зберігає свої ключові властивості: прозорість, хімічну інертність, термостійкість. Дослідники з Німеччини та США першими показали, що це можливо на практиці.

Два основні підходи до друку склом

Коли говорять про 3D-друк склом, зазвичай мають на увазі два зовсім різні світи. Один – це точна лабораторна хімія з лазерами і наночастинками. Другий – груба сила розплаву під тисячу градусів. Обидва дають справжнє скло, але шлях туди лежить через різні інструменти і головний біль.

Фотополімерний метод: скло з “чорнила”

Як це влаштовано насправді

У Технологічному інституті Карлсруе взяли звичайний SLA-принтер і заправили його не смолою, а рідким композитом. Усередині – наночастинки кварцу (розмір 10-50 нм) і фоточутливий преполімер. Суміш виглядає як молочна рідина, але під ультрафіолетом твердіє миттєво.

Лазер малює шар за шаром у ванній. Кожна точка – це місце, де полімер “схопився”. Через 5-10 годин ви дістаєте щось схоже на крихкий пластик з вкрапленнями.

Що відбувається далі

Тут починається магія печі:

• Промивка в ізопропіловому спирті – 15 хвилин
• Сушка при 60°C – годину
• Нагрів до 600°C за 2 години (полімер вигорає)
• Витримка при 1100-1200°C – 1-2 години (спікання)
• Повільне охолодження 8-12 годин

Результат – чистий кварцовий склоблок. Жодних бульбашок, жодних домішок.

Плюси, які реально відчуваються

• Деталізація до 50 мкм: друкуйте мікролінзи для смартфонів
• Прозорість 90-95%: краще за багато оптичних марок
• Можна комбінувати з барвниками: кольорове скло без фарбування

Мінуси, про які не пишуть в прес-релізах

• Піч коштує від 5000 євро – не кожна майстерня потягне
• Кожна модель потребує власного режиму спікання – експерименти обов’язкові
• Максимальний розмір обмежений ванною принтера (зазвичай 20x20x30 см)

Екструзійний метод: скло як мед

Принцип роботи G3DP2

У MIT пішли іншим шляхом. Замість лазерів – піч на 1900°F (1038°C). Скляні гранули засипають у верхню камеру, де вони розплавляються. Нижче – сопло діаметром 5-10 мм, через яке маса видавлюється повільними шарами.

Ключовий момент – дві температурні зони:

• Верхня камера: 1038°C – повний розплав
• Нижня камера: 480-515°C – контрольоване застигання

Все в закритому боксі з керамічними стінками. Комп’ютер керує швидкістю екструзії з точністю до 0.1 мм/с.

Технічні фішки, які роблять різницю

• Алюмінієве сопло під 45°: скло не прилипає
• 4-вісний рух голови: складні спіралі без підтримки
• Система охолодження повітрям: уникнення термічних тріщин

Переваги для великих проєктів

• Об’єкти до 3 метрів висотою: колони, світильники, фасади
• Шари видно неозброєним оком: ефект “крижаних хвиль”
• Нуль відходів полімеру: тільки скло і електрика

Проблеми, з якими стикаються всі

• Температура сопла падає: і шар “рветься”
• Ручне калібрування що 2-3 години: оператор потрібен постійно
• Деталізація 1-2 мм: забувайте про мікротекстури

Коли який метод вибирати

• Мікрооптика, ювелірка, прототипи лінз: тільки фотополімерний. Іншого варіанту просто немає.
• Архітектурні елементи, арт-інсталяції, великі світильники: екструзія. Тут важлива вага і візуальний ефект шарів.
• Експерименти вдома: почніть з фотополімеру. Є компанії, які продають композит малими партіями (від 1 кг).

Обидва методи вже вийшли за межі лабораторій. У 2025 році фотополімерні композити можна купити онлайн, а екструзійні установки орендують студії дизайну в Європі. Вибір залежить від задачі, бюджету і того, наскільки ви готові возитися з печами.

Easy3dprint: як наша команда працює з 3D-друком склом

Коли ми в Easy3dprint починали, то навіть не уявляли, наскільки швидко технології 3D-друку перетворяться на інструмент для таких незвичайних матеріалів, як скло. За сім років ми виростили парк з принтерів, освоїли ключові технології – від FDM для серійних деталей до повного циклу SLA на Formlabs – і тепер можемо взятися за проекти, де потрібна не просто швидкість, а точність до мікронів. Наші послуги розкидані по Харкову, Києву, Дніпру, Одесі та іншим містам, і ми завжди радимо клієнтам починати з консультації: розрахуємо терміни, підберемо матеріал і обговоримо, чи впорається фотополімер з вашою ідеєю скляного прототипу.

У нас велика кількість видів пластику і фотополімерів, які ідеально лягають в основу для друку з наночастинками скла – це той самий метод, про який ми говорили раніше, з лазерним затвердінням і спіканням у печі. Ми не боїмося складних завдань: чи то мікролінза для оптики, чи арт-об’єкт з ефектом хвиль, як у MIT-проектах. Контролюємо якість на двох етапах, маємо власні цехи для шліфування, фарбування і збирання. Якщо ваш задум конфіденційний, просто скажіть менеджеру – ми тримаємо слово. Зв’яжіться з нами і ми перетворимо вашу модель на справжній скляний шедевр, без деформацій і з термінами від двох годин для простих завдань.

Яке скло беруть для 3D-друку

Не кожне скло витримає друк. Звичайне віконне чи пляшкове просто розтечеться або потріскається. Тому обирають лише ті сорти, які поводяться передбачувано під високими температурами і не дають несподіваних домішок.

Кварцове скло: король чистоти

Це найчистіше скло з усього, що є. Чистота сягає 99.99 відсотків. Плавиться воно аж при 1710 градусах Цельсія, тому його розтирають на наночастинки розміром 10-50 нанометрів. Такі частинки ідеально змішуються з фотополімером для SLA-друку.

• Використовують виключно в фотополімерному методі
• Дає максимальну прозорість після спікання
• Підходить для оптичних лінз і мікроструктур

Боросилікатне скло: робоча конячка

Зустрічається в лабораторному посуді. Чистота трохи нижча – 99.9 відсотків, зате плавиться вже при 820 градусах. Його ріжуть на гранули 3-5 міліметрів і засипають у піч екструзійного принтера.

• Основний матеріал для G3DP2 і подібних систем
• Менше енергії на розплав
• Трохи жовтуватий відтінок, але для декору це не критично

Содово-вапняне скло: чому його уникають

Звичайне віконне скло. Чистота 98-99 відсотків, плавлення при 1400 градусах. Домішки натрію і кальцію роблять його непередбачуваним – бульбашки, помутніння, тріщини.

• Практично не застосовують у 3D-друку
• Може забруднити композит або сопло
• Тільки в експериментах для бюджетних прототипів

Розмір частинок: чому це важливо

• Для фотополімеру: 10-50 нм. Більші частинки дадуть матовість, менші важко змішати.
• Для екструзії: гранули 3-5 мм. Дрібніші забивають сопло, більші плавляться нерівномірно.

Правильний розмір – половина успіху. Замовляйте матеріал у перевірених постачальників, бо саморобні наночастинки легко перетворюють прозорий проект на молочну каламуть.

Обладнання: що потрібно для старту

Для фотополімерного друку

• SLA-принтер з ванною (наприклад, Formlabs Form 3 або аналоги)
• Спеціальний композит (продається в лабораторіях або під замовлення)
• Ультрафіолетова камера для попереднього затвердження
• Муфельна піч (температура до 1200°C)
• Розчинник (ізопропіловий спирт або спеціалізований)

Для екструзійного друку

• Спеціалізований принтер (G3DP-подібний, поки що лабораторний)
• Піч для розплаву скла
• Термостійке сопло
• Закрита камера з контролем температури
• Система витяжки (високі температури!)

Поки що комерційних принтерів для екструзії склом немає. Доступний лише фотополімерний метод через партнерів дослідницьких груп.

Покроковий гід: друкуємо скляний виріб фотополімерним способом

Фотополімерний метод здається складним лише на папері. Насправді це чітка послідовність, де кожен крок впливає на кінцевий результат. Нижче розбираємо все по полицях – від моделі до готового прозорого об’єкта.

Підготовка цифрової моделі

Чому підтримка тут критична

Без правильних підтримок модель просто “попливе” у ванні. Скло після спікання зменшується на 15-20 відсотків, тому заздалегідь враховуйте усадку.

• Використовуйте Blender або Fusion 360: вони точно рахують об’єм
• Додайте підтримку товщиною 0.3-0.5 мм: тонші ламаються при промивці
• Залиште отвори для стоку композиту: інакше всередині залишаться бульбашки

Налаштування слайсера

• Товщина шару: 25-50 мкм (для оптики – 25 мкм)
• Час засвітки: 8-12 секунд на шар (залежить від потужності лазера)
• Анти-аліасинг: увімкнути на 4x – краї будуть гладкіші

Завантаження композиту в принтер

Перевірка в’язкості – не пропускайте

Композит з наночастинками швидко осідає. Перед заливкою розмішайте його магнітною мішалкою 10 хвилин.

• Температура композиту: 22-25°C
• Фільтр 100 мкм перед заливкою: видаляє грудки
• Рівень у ванні: на 5 мм вище моделі

Калібрування платформи

• Опустіть платформу на 0.1 мм у композит
• Підніміть і перевірте, чи прилипає перший шар
• Якщо ні – додайте 1-2 секунди експозиції

Сам процес друку

Скільки чекати насправді

Маленька лінза (2×2 см) друкується 2-3 години. Кубик 10x10x10 см – добу. Плануйте принтер на ніч.

• Слідкуйте за температурою ванни: вище 28°C композит псується
• Кожні 2 години перевіряйте лазер: пил на лінзі дає смуги
• Зберігайте тишу: вібрація зсуває шари

Промивка і первинна сушка

Як не зруйнувати крихкий “напівфабрикат”

Після друку модель тримається на підтримках і схожа на мокру кераміку.

• Ізопропіловий спирт 99%: 3 ванни по 5 хвилин
• Ультразвукова мийка: 2 хвилини на 40°C
• Сушка на повітрі 2 години: не фен, не лампа!

Спікання: серце процесу

Режим печі – крок за кроком

Муфельна піч на 1200°C – це не жарти. Помилка в режимі – і весь день праці в смітник.

• Етап 1: Нагрів до 300°C за 1 годину – видалення вологи
• Етап 2: До 600°C за 2 години – вигоряння полімеру (димить!)
• Етап 3: До 1150°C за 1 годину – спікання кварцу
• Етап 4: Витримка 1.5 години при 1150°C
• Етап 5: Охолодження до 500°C за 4 години, потім до кімнатної за 6 годин

Типові помилки новачків

• Відкрили піч при 400°C: тріщина по всьому виробу
• Поставили виріб на холодну полицю: термошок
• Забули вентиляцію: полімер горить, піч в сажі

Фінальна перевірка якості

Що дивитися в першу чергу

• Прозорість: потримайте біля лампи – не повинно бути молочних плям
• Міцність: легкий удар дерев’яною ложкою – дзвінкий звук
• Розміри: виміряйте штангенциркулем – усадка 17-19% норма

Дрібні доопрацювання

• Полірування вогнем: газовий пальник 2-3 секунди – знімає мікротріщини
• Покриття силаном: для водовідштовхування
• Гравіювання лазером: якщо потрібен напис

Поради від тих, хто друкував десятки разів

• Перші 5 моделей робіть прості кубики: навчайтесь на дешевих помилках
• Ведіть журнал: температура, час, результат: через місяць матимете власну базу
• Зберігайте композит у холодильнику: термін придатності подовжується вдвічі
• Не економте на спирті: старий розчинник залишає плівку

Дотримуйтесь цієї послідовності – і через 24-36 годин триматимете в руках справжній скляний виріб, який світиться, як кришталь. Головне – терпіння на етапі спікання. Піч не пробачає поспіху.

Висновок

Скло перестало бути просто матеріалом для вікон чи посуду. Тепер його друкують шарами, як пластик, і отримують об’єкти, які світяться, не тріскаються і служать роками. Фотополімерний метод з наночастинками дає мікроскопічну точність, а екструзія розплавом – величезні арт-форми з ефектом крижаних хвиль. Обидва підходи вимагають терпіння, правильного обладнання і розуміння, як поводиться кварц при 1200 градусах. Але результат вартий зусиль: виріб, якого не зробиш ні видуванням, ні литтям. Почніть з простої моделі, знайдіть постачальника композиту і не економте на печі. Через пару невдалих спроб ви вже триматимете в руках щось по-справжньому унікальне.

Поширені запитання про скло як матеріал для 3d друку