增材制造工艺和制品的制作方法

本申请依据35u.s.c.§119要求2015年8月13日提交的美国临时专利申请第62/204627号的优先权的权益，所述申请的内容是本申请的基础并且以通过引用的方式全文并入本文。

背景技术：

平板玻璃可以使用诸如模塑和压制的工艺而制成为三维(3d)玻璃制品。然而，利用这些工艺形成带内部特征(即，完全容纳在制品内的特征，诸如内部通道或类似者)的复杂3d玻璃制品几乎是不可能。孔洞或类似者可以在玻璃块中机械加工出来。然而，也难使用常规机械加工技术在玻璃块中形成复杂内部特征，诸如卷曲通道。

增材制造(am)，常被称为3d打印，允许直接从物体的计算机辅助设计(cad)模型构建3d物体。3d物体是从原料逐层构建，如果需要的话，这将允许特征被构建到每个层中并且作为内部特征容纳在所述物体内。然而，很少可用am技术将玻璃视作为适用原料，并实际上，都不具有生产透明3d玻璃的能力。

出于背景目的，下表列出由astm国际(astmf2792-12a)标识的am工艺的7个类别、属于每个类别技术的示例、和用于每个类别中的原料。(参见astmf2792-12a,standardterminologyforadditivemanufacturingtechnologies(用于增材制造技术的标准术语)，astminternational,westconshohocken,pa,2012，www.astm.org，以及“the7categoriesofadditivemanufacturing(增材制造的7个类别)”,additivemanufacturingresearchgroup.loughboroughuniversity,n.d.web.,2015年5月31日，www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/the7categoriesofadditivemanufacturing)。

表

从上表中，由于无定形的玻璃烟灰粉末的易得性，基于粉末的am工艺，诸如粘结剂喷射和粉末床熔融工艺，可潜在地用于制造3d玻璃制品。然而，松散玻璃烟灰(例如，不像金属粉末那样)是高度多孔的，从而在被烧结成固体时，体积多次缩减，这将使得难以实现具有良好的尺寸准确度的3d玻璃。粘结剂喷射涉及将液体粘结剂分配到粉末床中。当完成物体构建时，必须从物体上移除粘结剂。相较通过传统工艺而制成的3d玻璃，未将增材从所述物体的微观结构完全移除可能导致最终3d玻璃不完全透明或具有不良的透射率。

技术实现要素：

公开了一种用于制造3d物体的am工艺。所公开的am工艺适于用来制造具有复杂特征的透明3d玻璃物体。所述am工艺也可以应用于除玻璃以外的其他类型材料。

在一个示例性实施方式中，一种am工艺包括提供对物体的描述，所述物体被描述为一组至少两个横截面层，它们可堆叠在一起以形成所述物体。所述工艺包括提供多个片材，每个片材对应所述物体的横截面层中的一者。所述工艺包括通过将所述片材彼此堆叠以形成物体材料堆叠，并且在所述片材之间不使用粘结材料的情况下，将每个上层片材结合到下层片材。所述工艺包括在所述对应片材内形成所述横截面层中的至少一者的至少一个特征。

在另一示例性实施方式中，一种am工艺包括提供对物体的描述，所述物体被描述为一组至少两个横截面层，它们可堆叠在一起以形成所述物体。所述工艺包括形成包括至少两个烟灰层的分层的烟灰片。每个烟灰层对应所述横截面层中的一者。所述工艺包括在所述对应烟灰层内形成所述横截面层中的至少一者的至少一个特征。所述工艺包括将所述分层的烟灰片烧结成致密玻璃。

在另一示例性实施方式中，一种制品包括三个或更多个玻璃层，与每个玻璃层层压在一起，所述玻璃层将至少部分地与另一玻璃层重叠，并且在所述玻璃层之间不存在任何粘结剂。每个玻璃层具有在从1μm至500μm的范围内的厚度，并且所述玻璃层中的至少一者由二氧化硅或掺杂的二氧化硅制成。至少一个特征形成在所述玻璃层中的至少一者内。所述至少一个特征可以是通孔、部分深孔、通道、狭槽、空隙、刻制标记或所述玻璃层中的所述至少一者的分化区域。

附图说明

以下是随附附图中的附图的描述。附图不一定按比例绘制，并且附图的某些特征和某些视图为清晰和简洁起见可以按比例或示意性地放大。

图1是示出根据一个实施方式的用于制造3d物体的工艺的流程图。

图2a示出了3d物体的示例。

图2b是图2b中示出的3d物体的横截面。

图2c示出了被切成横截面层的图2a和图2b的3d物体。

图3a-3f示出了使用图1的工艺形成具有图2c中示出的横截面层的3d物体的工艺。

图4是示出根据另一实施方式的用于制造3d物体的工艺的流程图。

图5示出了可使用图1或图4的工艺制造的示例制品。

具体实施方式

图1是示出根据一个实施方式的用于制造3d物体的am工艺。工艺通常包括将片材彼此堆叠，在不使用粘结材料的情况下将堆叠内的片材结合到一起，并且在片材内选择性地形成3d物体的横截面层的特征。

在一个实施方式中，工艺包括限定可彼此堆叠以形成3d物体的一组横截面层(8)。可使用3d打印技术领域中熟知的合适cad和分割软件或使用其他合适绘制工具来进行这种限定。在一个实施方式中，组包括了至少两个横截面层。在另一实施方式中，组包括了至少三个横截面层。

在一个实施方式中，工艺包括制备用于构建3d物体的横截面层的一组片材(10)。可使用一个或多个片材来构建3d物体的每个横截面层。片材可具有形成片的一个或多个材料层。片材制备可以涉及以下步骤的一个或多个：从合适来源中获取片材；将材料带切割或切分成片材；机械加工所述片材，例如，去除粗糙的缘和/或使片材的表面平滑；以及将片材切削成净尺寸和形状。片材制备也可包括预热片材。

在一个实施方式中，片材很薄，以便允许有效激光处理材料。在一个实施方式中，每个片材的厚度可以是在从1μm至1mm的范围内。在另一实施方式中，每个片材的厚度可以是在从1μm至500μm的范围内。在另一实施方式中，每个片材的厚度可以是在从1μm至150μm的范围内。组中的片材的厚度可以相同，也可不同。一般，组中的每个片材具有一致厚度。然而，具有不均匀厚度的片材的情况可能是更适合的。

取决于最终3d物体的期望性质，片材的材料组成可以相同，也可不同。在一个实施方式中，片材是玻璃片。在一个实施方式中，玻璃片可以是烟灰片。如hawtof等人的美国专利申请第7,677,058(‘058专利)号所述，烟灰片是具有至少一个烟灰层的片材，其中玻璃烟灰颗粒连接并结合于其附近的颗粒的至少部分，这与松散烟灰颗粒(或玻璃粉末)情况相反。玻璃烟灰片可以具有均匀的组成或可变的组成。

在另一实施方式中，玻璃片可以是烧结片。这样的烧片可以通过例如‘058专利中描述的烧结烟灰片制成。如‘058专利中所述，烧结片具有高于或等于在标准温度和压力条件(101.325kpa，273k)下具有相同的化学组成和微观结构的玻璃材料的最高可能密度的95％。

在另一实施方式中，玻璃片可以是熔融形成的玻璃片，即，从通过熔融工艺形成的玻璃带获得的玻璃片。在其他实施方式中，可通过其他工艺例如浮法工艺和类似者来制成玻璃片。

在一个实施方式中，玻璃片可由高纯度的熔融二氧化硅或掺杂的二氧化硅制成。对于掺杂的二氧化硅，将基于最终3d物体的期望属性来选择掺杂物。例如，二氧化硅可掺杂二氧化钛以形成超低膨胀玻璃。在另一示例中，玻璃片可以是碱性铝硅酸盐玻璃或其他类型的可进行离子交换的玻璃。在另一实施方式中，片材可以是玻璃陶瓷片。一般，片材可由无机材料制成。

图1的工艺包括使用片材和对3d物体的横截面层限定构建3d物体(12)。在一个实施方式中，构建工艺包括将第一片材放置在支撑件上(12a)。当加工片材时，虽然可施加力用来将片材夹紧到支撑件，但是不必将片材物理地附接至支撑件。第一片材将对应于3d物体的第一横截面层。

构建工艺可以包括在第一片材内形成3d物体的第一横截面层的一个或多个特征(12b)。一般，可使用以下方法的一种或多种来在片材内形成特征：从片材的选择区域移除材料、将材料添加到片材的选择区域内，并且使片材的选择区域中的至少一个材料性质改性。

可通过从片材的选择区域移除材料形成的特征的示例包括但不限于通孔、部分深孔、通道、狭槽、空隙和刻制标记。通孔和部分深孔为典型地圆柱形的，并且可以具有30微米或更小的直径。空隙可以是圆柱形或非圆柱形的，并且可以具有相对于通孔和部分深孔较大的尺寸。刻制标记通常由形成图案或设计的浅槽制成。在一个实施方式中，通过激光加工从片材上移除材料。一般，激光加工涉及将片材的选择区域暴露于至少一个激光射束下。激光射束将加热和烧蚀片材，无论片材在何处被暴露于来自具有足够功率密度的激光射束的辐射下。对于玻璃和玻璃陶瓷材料，激光射束可为红外射束。一般，应当提供具有片材将吸收的波长的激光射束。在另一实施方式中，通过其他光射束机械加工方法或通过cnc机械加工，从片材上移除材料。

可通过将材料添加到片材的选择区域来形成的特征的示例包括但不限于通孔、部分深孔、通道、狭槽、空隙和刻制标记。例如，可将部分片材添加到片材以形成通道或狭槽。将特征材料添加到片材可以包括将特征材料结合到片材。优选地，任何此类结合都不涉及使用粘结材料。例如，可使用热结合将特征材料添加到片材。

通过使片材的选择区域内的至少一个材料性质改性来形成的特征可被称作“分化区域”。可改性以产生分化区域的材料性质示例可以包括但不限于组成、折射率、热膨胀系数、结晶度、导电性、透射率或损耗。分化区域可以在片材内形成选择图案，诸如波导图案或类似的图案。在一个实施方式中，可通过将至少一个激光射束施加到片材的选择区域在片材内形成分化区域。此激光射束不同于用于在片材中形成其他类型的特征的激光射束。

在一个实施方式中，片材可为光敏玻璃。光敏玻璃是在暴露于短波辐射(诸如紫外光辐射)下时在暴露区域中显现着色而未暴露区域保持不变的玻璃。美国专利第2,515,936(armistead,jr.，1950)号描述了通过将氯化银或卤化银结合到硅酸盐玻璃中而产生的光敏玻璃。玻璃在uv光暴露下可以显现黄色或琥珀色。美国专利申请第3,208,860号(armistead，jr.，1965)公开了通过形成选自硅酸盐玻璃中的氯化银、溴化银和碘化银的至少一种卤化银的微晶而产生光敏玻璃的另一示例。可通过将片材的选择区域暴露于紫外辐射下来在光敏片材中形成分化区域。

例如，如果第一片材不具有第一横截面层的净形状，那么构建工艺可以包括将第一片材形成为净形状(12b1)。将第一片材形成为净形状可以涉及自从第一片材的周边移除材料或将材料添加到第一片材的周边。可使用任何合适方法来从第一片材的周边移除材料，诸如激光加工或其他射束加工方法或cnc加工，以便形成净形状。类似地，任何合适方法，典型地是不涉及使用粘结材料诸如粘结剂或类似材料的方法，可以用于将材料添加到第一片材的周边。或者，可推迟第一片材的任何的凈成形而直到完成3d物体构建。

如果第一片材为玻璃烟灰片，那么构建工艺可以包括烧结第一片材(12c)。烧结可或可不产生完全地致密的玻璃。在一个实施方式中，使用来自至少一个激光射束的热量来烧结玻璃烟灰片。在另一实施方式中，使用热源而非激光射束在炉内将玻璃烟灰片烧结。

构建工艺包括在第一片材的顶部堆叠第二片材(12d)。构建工艺进一步包括将第二片材结合到第一片材，从而形成物体材料堆叠(12e)。物体材料堆叠可以随着附加片材被结合到已经在堆叠内的片材而生长。在一个实施方式中，片材结合不涉及在片材之间使用粘结材料，诸如粘结剂或类似材料。在一个实施方式中，使用通过至少一个激光射束而产生的热量将第二片材结合到第一片材。结合工艺可以包括将至少一个激光射束聚焦于第一片材和第二片材的堆叠上，例如，在第一片材和第二片材之间的界面处或在所述界面附近。激光射束可聚焦成一点、一线或一体。随后，被聚焦的激光射束扫描整个堆叠。在扫描期间，可融化片材和/或烧结第一和第二片材中的一者或两者以将片材融合在一起。融化和/或烧结可局部化到片材之间的界面或可施加到该堆叠的整个体积。在其他实施方式中，也可使用除激光射束以外的不同热源结合片材。

在一个实施方式中，当使用激光射束结合片材时，夹紧力作用于材料堆叠。夹紧力将片材压在一起，从而确保在片材之间的界面处的紧密接触，这将允许良好结合，而基本上不含滞留空气和形成在片材之间的颗粒。可以使用任何合适装置来提供夹紧力。例如，定位在堆叠顶部的重辊可提供夹紧力。另一示例是将气体流导入堆叠顶部的喷嘴或类似的装置。气体射流的力朝向支撑件的方向推压堆叠，从而将堆叠内的片材压在一起。另一示例是真空夹紧。例如，可以在第一片材内形成真空孔洞，并且在片材的结合期间，可通过这些真空孔洞来施加真空，以便将第二片材吸到第一片材上。

构建工艺可以包括在第二片材内形成3d物体的第二横截面层的一个或多个特征。用于形成此类特征和特征示例的工艺是如上文关于第一片材(12f)所述的那样。例如，如果第二片材不具有第二横截面层的净形状，那么第二片材可以形成为净形状(12f1)。净成形可以是如上文关于第一片材所述的那样。

如果第二片材为玻璃烟灰片，那么构建工艺可包括烧结第二片材(12g)。玻璃烟灰片可或可不被烧结成完全地致密的玻璃。另外，烧结使用除激光射束以外的热源通过至少一个激光射束而产生的或在炉内的热量进行。在一个实施方式中，当使用至少一个激光射束将第二片材结合到第一片材时，可以进行对第二片材的激光烧结。也就是说，使用激光射束将第一片材和第二片材结合在一起可自动地导致对第二片材的至少部分烧结。另外，如果第一片材为玻璃烟灰片并且在结合12e前没有进行烧结，那么当将第一片材结合到第二片材时或在将第一片材结合到第二片材后烧结第一片材。

构建工艺包括确定3d物体的所有横截面层是否都构建成对应片材

(12h)。如果不是如此，那么在物体材料堆叠顶部上堆叠另一片材(12d的重复)并且将其结合到物体材料堆叠顶部上(12e的重复)。这些堆叠和结合子工艺两者是如上文关于第一片材和第二片材所述的那样。如上文关于第二片材所述的，在物体材料堆叠中的新的片材中形成下一横截面层的特征(12f的重复)。如上文关于第二片材所述的，可以进行新的片材的净成形(12f1的重复)。如上文关于第二片材所述的，在需要时，可以烧结新的片材(12g的重复)。可针对每个新的片材来重复子工艺(12d-12g)，直到完成3d物体构建。

制造3d物体的工艺包括对3d物体的最终烧结(在需要时)(14)，例如，如果在3d物体的构建期间，未进行子工艺(12c、12g)或仅部分地进行子工艺。用于此最终烧结的热源可为激光射束或本领域已知的其他合适热源。将不一定去除对3d物体的粘结，因为在构建3d物体时并没有使用粘结剂将片材结合到一起。另外，可能必需使3d物体退火以缓解3d物体内的内部应力(16)。

图1的工艺的一个变型涉及在构建3d物体时，在选择特征内沉积填充材料。例如，假设空隙特征形成在物体材料堆叠内的第二片材内，并且当完成3d物体时，此空隙应当容纳有气体。在这种情况下，在将第三片材添加到物体材料堆叠前，物体材料堆叠可以放置在流动气流中，以便允许第二片材中的空隙被填充有气体。为了将气体捕集空隙中，第三片材堆叠在第二片材的顶部并结合到第二片材。此堆叠和结合可以在流动气流中进行。或者，为了对第二片材内的空隙填充液体或固体材料，填充材料可以装载到空隙中，并且可以在第二片材的顶部堆叠第三片材，以便将填充材料捕集到空隙中。因此，对空隙的填充通常可与将新的片材堆叠并结合到物体材料堆叠内的先前片材同时进行。

图1的工艺的另一变型涉及在片材由相对高热膨胀材料制成时预热片材。因此，例如，二氧化硅是低热膨胀材料。如果片材由二氧化硅制成，那么无需预热片材。然而，如果片材由相较二氧化硅来说为高热膨胀的材料制成，那么可能需要预热片材。这种预热可以在将片材放置在支撑件上或在将片材结合到堆叠内的另一片材前进行。另外，对于有相对高热膨胀的片材来说，图1的工艺涉及在构建3d物体期间或之后使片材退火。

图1的工艺可进一步通过如图2a和图2b中的100处示出的示例3d物体示出。示例3d物体100包括平面基板101，平面基板内形成有孔洞102、104和通道106。3d物体100可以沿着图2c中示出的切分线108、100切分成横截面层。切分线的位置和数目可以经选择以便于构建3d物体，并且并不限于图2c中示出的那样。第一横截面层100a包括孔洞102的底部。第二横截面层100b包括孔洞102的顶部、整个通道106和孔洞104的底部。第三横截面层100c包括孔洞104的顶部。孔洞102、104和通道106是它们相应的横截面层的特征。为了构建3d物体100，将会需要三个片材，每个片材各自用于三个横截面层100a、100b、100c的每一者。片材厚度应对应于横截面层厚度。

图3a示出了放置在支撑件130上的片材s1。激光机器132被布置来将激光射束134提供到片材s1。激光机器132可具有任何合适构造以提供用于材料的激光处理的激光射束。在一个示例中，激光机器132可包括激光源136、用于反射来自激光源136的射束的镜138、和用于将反射射束聚焦到片材s1的透镜140。透镜140相对于支撑件130d的高度可调节以使得激光射束134的焦点可相对于支撑件130放置在任何方向上。支撑件130安装在移动平移平台141上，这将允许支撑件130相对于激光射束134而移动，使得激光射束134可以扫描片材s1。或者，激光机器132可使用光学器件来作为扫描镜以在整个片材s1内移动激光射束134。或者，激光机器132其本身部分可以可移动以提供激光射束134跨整个片材s1的期望扫描。尽管并未示出，但是激光机器132可以包括用于将激光射束134成形为非圆形(诸如矩形或椭圆形)的射束成形器。

图3b示出了激光射束134在片材s1内形成第一横截面层(图2c中的100a)的特征。在此示例中，激光射束134正在片材s1内机械加工出孔洞142(对应于图2c中的孔洞102的底部)。通过将热量传送到片材s1的局部区域，激光射束134机械加工孔洞142，其中孔洞将形成在片材s1内。热量将烧尽或蒸发片材s1的区域以形成孔洞。加热时长和加热强度将影响片材s1内的孔洞142的深度。激光源136将需要基于片材s1的性质来选择。一般，激光源136将需要能够提供在片材s1的吸收范围内的激光射束134以使得可以烧蚀选择区域。

在加工孔洞142之前或之后，可以与用于机械加工孔洞142的激光射束相同或不同的功率水平来提供的激光射束134可扫过片材s1以将片材s1烧结成致密玻璃，即，如果片材s1是玻璃烟灰片的话。

图3c示出了堆叠在片材s1上的片材s2。激光机器132将激光射束134导向到片材s1、s2的堆叠以结合片材s1、s2并且形成物体材料堆叠145。为了将片材s1、s2结合到一起，激光射束134扫描堆叠中的片材s1、s2，其中由激光射束134产生的热量至少在片材s1、s2之间的界面附近融化和/或烧结片材s1、s2，以便在片材s1、s2之间形成粘结。在此示例中，来自喷嘴144的气体射流143向片材堆叠施加了夹紧力，使得片材s1、s2至少在施加激光射束134的区147中紧密接触。夹紧力将允许通过激光能量在片材s1、s2之间形成良好粘结。机械装置诸如重辊或类似的装置可以用于替代气体射流，以便将夹紧力作用于堆叠。真空夹紧也可替代气体射流。

图3d示出了激光射束134机械加工片材s2内的第二横截面层(图2c中的100b)的特征。在此示例中，激光射束134正在片材s2内机械加工出孔洞146、148(对应于图2c中的孔洞102、104)和通道150(对应于图2c中的通道106)。激光射束134以与上文关于在片材s1内机械加工孔洞142(在图3b中)所述的相同的方式机械加工孔洞146、148和通道150。通过激光射束134在片材s2内来回移动并且将热量传递到片材s2上需要的位置，可同时机械加工出孔洞146、148和通道150。在片材s2内机械加工出孔洞146、148和通道150之前或之后，激光射束134可扫过片材s2以将片材s2烧结成致密玻璃，即，如果片材是玻璃烟灰片的话。另外，如果片材s1是玻璃烟灰片并且尚未完全地密实化，那么激光射束134也可烧结片材s1。当将片材s1、s2结合在一起时，可以烧结s1、s2中的一者或两者，即，烧结不必与片材结合以分开步骤进行。另一方面，可推迟对片材的完全烧结而直到3d物体构建完成。

图3e示出了堆叠在片材s2上的片材s3。激光射束132将激光射束134导向到片材s1、s2、s3的堆叠，以便将片材s3结合到片材s2。在结合后，物体材料堆叠145就将具有三个片材s1、s2、s3。图3f示出了激光射束134机械加工片材s3内的孔洞152(对应于图2c中的孔洞104的顶部)以完成3d物体100。在机械加工片材s3内的孔洞152之前或之后，激光射束134可扫过片材s3以将片材s3烧结成致密玻璃，即，如果片材s3是玻璃烟灰片的话。

在以上示例和本文中描述的实施方式中，如果片材s1、s3由具有相对高的热膨胀的材料(例如，相较二氧化硅相对高的)制成，需要在使用片材构建3d物体100前预热片材s1、s3。另外，在构建工艺期间和之后使片材s1、s3，退火以缓解3d物体中的内部应力。

对于处理由玻璃制成的片材，典型地是使用co2激光器。一般，优选的是具有在要处理的片材的层厚度量级上适当穿透深度的激光源。然而，玻璃中的co2激光器的穿透深度典型地限制为小于10□□，它将限制可用于工艺的片材的最大的层厚度。5-□□激光器(co激光器)具有更深穿透深度并且可扩展可用于工艺的片材厚度的范围。在另一工艺中，可定制片材的组成以使得可以在工艺中使用可见或近红外激光器。

在上述示例和本文中描述的实施方式中，可使用单个的激光器来在片材中形成横截面层的特征，将片材结合在一起，并且烧结片材。或者，取决于片材的材料组成，可使用具有不同波长的多个激光源在片材中形成横截面层的特征，结合片材，并且烧结片材。

图4是示出根据另一实施方式的用于制造3d玻璃物体的am工艺。工艺通常涉及通过形成分层的片和选择性地在分层的片的层中形成3d物体的横截面层的特征，通过激光器构建3d物体层。在一个实施方式中，工艺包括限定一组横截面层，它们可彼此堆叠以形成3d物体(200)。如在先前工艺实施方式中，组将含有至少两个横截面层。在一些实施方式中，组可含有至少三个横截面层。

工艺包括在沉积表面上沉积玻璃烟灰颗粒以形成第一烟灰层(202)。第一烟灰层的厚度将对应于3d物体的第一横截面层的厚度。在一个实施方式中，第一烟灰层和每个后续的烟灰层的厚度可以是在从1μm至500μm的范围内。在一个实施方式中，烟灰颗粒为高纯度的二氧化硅烟灰颗粒或掺杂的二氧化硅烟灰颗粒。如例如hawtof等人的美国专利申请第7,677,058(‘058专利)号中所述，可通过火焰水解工艺来制成烟灰颗粒。火焰水解工艺通常涉及将二氧化硅前体、氧、燃料和可选地掺杂材料提供到一个或多个燃烧器。每个燃烧器使用氧和燃料产生火焰，火焰然后与二氧化硅前体和掺杂材料(如果存在的话)相互作用以形成烟灰。烟灰沉积在沉积表面上。在‘058申请中，旋转滚筒用作沉积表面。然而，沉积表面不必限于旋转滚筒。例如，它也可以是平面表面。如果在烟灰层内期望可变的组成，那么当将烟灰沉积在沉积表面上时，可以改变输送到火焰的材料。

在形成第一烟灰层后，在第一烟灰层内形成3d物体的第一横截面层的特征(204)。特征如上文关于图1中的工艺所述，并且可以上文关于图1中的工艺所述的相同的方式形成，即，从第一烟灰层的选择区域上移除烟灰，将烟灰或其他材料添加到第一烟灰层的选择区域，和/或使烟灰层的选择区域内的烟灰改性。如上文关于图1中的工艺所述，使用激光能量或其他合适工艺形成特征。如果特征是通过将烟灰添加到第一烟灰层来形成，那么特征烟灰可通过如上所述火焰水解来选择性地沉积在第一烟灰层上。

在第一烟灰层内形成3d物体的第一横截面层的特征后，将第一烟灰层返回至烟灰形成区域。烟灰颗粒沉积在第一烟灰层上，以便在第一烟灰层上形成第二烟灰层(206)。第二烟灰层的厚度将对应于3d物体的第二横截面层的厚度。第二烟灰层和第一烟灰层形成分层的烟灰片。在可沉积烟灰颗粒的温度下，用于第二烟灰层的一些烟灰颗粒将在层之间的界面处粘附到第一烟灰层，从而提供相对稳定结构。如果形成在第一烟灰层内的特征为敞开的特征，例如孔洞或类似者，那么当在第一烟灰层上沉积烟灰颗粒时，有可能用烟灰颗粒填充这些特征。如果不期望这样的填充，那么在第一烟灰层上沉积第二烟灰层前，可利用牺牲材料来填充第一烟灰层内的敞开的特征。分层的烟灰片可传送到构建区域，其中可以在第二烟灰层内形成第二横截面层的特征(208)。

继续在先前的烟灰层上沉积新烟灰层以增加分层的烟灰层的层并且在分层的烟灰层的新烟灰层内形成3d物体的下一横截面层的特征，直到3d物体的所有横截面层已构建成对应的烟灰层(210)。最终，所构建的3d物体可以被烧结成完全地致密的玻璃(212)。如果使用牺牲材料填充3d物体中的敞开的特征，那么在烧结期间可燃尽此牺牲材料。如上文关于图1的工艺所述，使用气体、液体或固体材料而非玻璃填充空隙也可结合图4的工艺。另外，可使3d物体退火以释放出内部应力(214)。

示例1：使用hawtof等人的美国专利申请第7,677,058号中所述的工艺制备由100％二氧化硅组成的100μm厚玻璃烟灰片。2英寸宽2英寸长的片放置在接近co2激光器的平移平台上。100％二氧化硅玻璃烟灰片的类似的片放置在第一个片的顶部。激光器是coherent公司提供的金刚石e-400脉冲的co2激光器。激光器具有400w的输出功率和在从40w至400w的范围内的功率。不对称非球面透镜设置在激光器和玻璃烟灰片堆叠之间。不对称非球面透镜产生50mm长线射束和接近1mm的跨长短轴的均匀强度分布。透镜放置在距烟灰片堆叠的顶部约380mm处。在50nm的射束宽度下的185w的激光器功率用于将玻璃块融化到一起。在跨玻璃片堆叠以1.6mm/s的速度移动射束。在射束路径上产生完全地致密化且粘结到一起的澄清、烧结过的玻璃。此示例展示了使用激光能量将玻璃烟灰片结合到一起且同时将玻璃烟灰片烧结成致密玻璃的可行性。

示例2：使用hawtof等人的美国专利申请第7,677,058号中描述的工艺制备由100％二氧化硅组成的100μm厚烟灰层。co2激光射束一直聚焦到约200μm的直径上。使用电流计扫描仪操纵被聚焦的激光射束，以便在烟灰层上切出2d图案。切削速度为150mm/s。这个示例证实在烟灰层或片内形成特征的可行性。

图1和图4中描述的am工艺和其变形使得能够制造透明3d物体。工艺不使用粘结剂，从3d物体上完全移除粘结剂可能导致物体不够完全透明。取决于用于构建3d物体的片材或烟灰层的组成，3d物体可以具有在可见范围内或在可见范围附近的其他范围内的透明度。在一个实施方式中，如果3d物体具有通过分光光度计测量的在从390nm至700nm的范围内的至少80％的透明度，就可将其视为是透明的。

图1和图4中描述的am工艺使得能够以非常薄的形式因子(例如从几微米至几毫米厚)的不同的复杂性的特征的3d玻璃制品。3d玻璃制品厚度将通过用于构建制品的片材或烟灰层的组合厚度而确定。

图1和图4中描述的am工艺和其变型使得能够制造具有良好的尺寸准确度的3d玻璃制品。本制品的任何烧结将不伴随典型地与基于粉末的am工艺相关联的大幅度的缩减。

根据图1和图4的工艺制造的3d玻璃制品和其变型可取决于制品的特征的结构和布置用于各种检测器和/或分析器应用。此类应用示例包括但不限于微流体装置、柔性生物传感器、药物发现工具、生物恐怖活动检测、食品安全检测、水污染检测、氧含量或其他属性的血液测试、药物测试、电平测量、磁平测量、放射性水平测量、重力测量、亮度测量、指纹识别感测和生物感测。

根据一个实施方式，使用图1或图4中描述的工艺制造的3d玻璃制品具有至少三个玻璃层。玻璃层被层压在一起，使得每个玻璃层将至少部分地与另一玻璃层重叠。每个玻璃层可由片材(如图1中的工艺中)或烟灰层(如图4中的工艺中)制成。可通过从激光射束向玻璃层施加热量或通过在玻璃层之间不涉及使用粘结材料的另一方法来进行玻璃层的层压。根据图1和图4中描述的工艺，在玻璃层之间不存在粘结材料。在一个实施方式中，每个玻璃层可以具有在从1μm至1mm的范围内的厚度。在另一实施方式中，每个玻璃层可以具有在从1μm至500μm的范围内的厚度。在另一实施方式中，每个玻璃层可以具有在从1μm至150μm的范围内的厚度。在一个实施方式中，玻璃层中的至少一者由二氧化硅或掺杂的二氧化硅制成。在一个实施方式中，玻璃层中的至少一者包括至少一个特征。在一个实施方式中，特征可以选自通孔、部分深孔、通道、狭槽、空隙、刻制标记或分化区域。

在一个实施方式中，3d玻璃制品的玻璃层可以是烧结的片。

在一个实施方式中，3d玻璃制品的玻璃层中中的至少一者可以在层内具有不同的组成。

在一个实施方式中，3d玻璃制品的玻璃层中的至少一者是多孔玻璃。多孔玻璃可以具有在从0.4g/cm³至2.2g/cm³的范围内的密度。

在一个实施方式中，3d玻璃制品的玻璃层中的至少一者为多孔玻璃，并且3d玻璃制品的玻璃层的至少另一玻璃层为完全地致密的玻璃。

在一个实施方式中，3d玻璃制品的玻璃层中的至少一者包括作为特征的空隙，并且空隙将至少部分地填充气体或液体或固体材料而非玻璃。

在一个实施方式中，3d玻璃制品的相邻的玻璃层之间的折射率的差异小于2％。

在一个实施方式中，3d玻璃制品具有内部暴露的表面且内部暴露的表面的表面平滑度小于50nmra。

在一个实施方式中，3d玻璃制品具有93％或更高的透射率。

图5示出了相当复杂的3d玻璃制品300，其展示了上述特征。应当注意，3d玻璃制品300的特征的数目、结构和布置将取决于3d玻璃制品的特定用途并且并不限于图5中示出的那样。出于说明的目的，3d玻璃制品300具有玻璃层301、302、303、304、305。通孔301a和部分的孔301b形成在第一玻璃层301内。通孔302a、通道302b和部分孔302c形成在第二玻璃层302内。通孔303a形成在第三玻璃层303内。空隙304a和通孔304b形成在第四玻璃层304内。在一个实施方式中，填充材料设置在空隙304a内，填充材料可以是气体、液体或固体材料而非玻璃。分化区域305a和通孔305b形成在第五玻璃层305内。分化区域305a具有不同于第五玻璃层305的剩余部分的至少一个材料性质。在一个实施方式中，至少一个材料性质可以选自组成、折射率、热膨胀系数、结晶度、导电性、透射率和损耗。不同孔洞可以具有30微米或更小的直径。孔洞表面内部暴露。表面可以具有小于50nmra的表面平滑度。部分孔301b和302c限定玻璃层301、302之间的空隙。通道301c可以在3d玻璃制品的空隙和外表面之间形成连接。

尽管已结合了有限数目的实施方式描述了本发明，受益于本公开内容的领域的技术人员将了解，可设计出不脱离如本文中公开的本发明的范围的其他实施方式。因此，本发明的范围应当仅由随附权利要求限制。