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革命性突破!3D打印最新研究今登Science,打印速度和体积获数量级提升

北极蚊子 2019-10-21 14:11

一项可打让 3D 打印真正变革制造业的突破诞生了。

美国西北大学(Northwestern University)的研究团队开发出一种极具未来性的新款 3D 打印机,该打印机比目前市场上现有的都要大许多,打印速度也快了很多——可以在几个小时之内打印出成人大小的物体研究人员应用了一种被称为“HARP”(high-area rapid printing,大面积快速打印)的技术,其原型设备有着高约 4 米、横向面积近 1 平方米的打印床。它能够创造出破纪录的产量,并且按需生产尺寸范围更广泛的产品。

在过去的 30 多年里,3D 打印领域的绝大部分科研努力都是为了挑战传统技术的极限。通常情况下,追求打印更大尺寸的部件要以牺牲速度、产量和分辨率为代价。但现在, HARP 技术要对过往的妥协说“不”,它一次可以打印出单个、大尺寸的部件或者许多不同的小部件

研究团队宣称,该技术可稳定打印坚硬耐用的部件和有弹性的物体,创新的界面循环液体去热技术,可突破现有立体光刻 3D 打印极限,可以打印医疗设备、汽车、飞机和建筑物等部件......更令人振奋的消息是,这项技术不像大多数科研成果那样,距离应用遥遥无期,而是“未来 18 个月内可投入市场”。

要注意的是,该技术打印人们习惯意义上叫“塑料”的产品。因为金属和塑料两者材料性能不同、所用硬件的物理性能也不一样,所以两者的 3D 打印方案不可同日而语。而塑料材料在不断朝着高强度方向发展,这样一些复杂构件便可以被其替换,不仅便宜而且轻便。此外,塑料材料还可以避开复合缺陷等问题,并实现多元复合材料的生产。

该研究在今天发表于 Science 杂志,西北大学温伯格文理学院的 George B. Rathmann 化学教授、国际纳米技术研究所主任 Chad A. Mirkin,与 David Walker 及 James Hedrick 共同完成了这项研究,后两人均为 Mirkin 实验室的研究人员。

图 | 大尺寸 3D 打印过程照片(来源:Northwestern University)

突破技术制约

目前,制约 3D 打印机发展的一个主要限制因素就是热量每台树脂基 3D 打印机在高速运行时都会产生大量热量,有时甚至会超过 180 ℃。这样会让表面温度升高到一个比较危险的程度,还会导致打印出的部件开裂或变形。速度越快,打印机产生的热量就越多。如果它又大又快的话,那么产生的热量是极为强烈的。

这个问题已经束缚了绝大多数 3D 打印公司,只能保持较小的打印尺寸,例如鞋盒大小已经是天花板。David Walker 表示:“当这些打印机高速运转时,树脂聚合会放出许多热量,他们目前还没有办法驱散它。”不过,鉴于尺寸规模扩大可以带来的更广阔的市场应用前景,其他 3D 打印公司势必也在进行相关研究。

西北大学的技术则绕过了这个问题,他们使用了一种不沾液体,其表现类似于液体特氟龙(Teflon,聚四氟乙烯)。使用 HARP 的设备通过一个窗口投射光线,使树脂在垂直移动的平板上凝固;同时,“液体聚四氟乙烯”流过该窗口来消除热量,并通过一个冷却装置使其循环。

视频 | 经加速处理,视频时长 52 秒的大尺寸 3D 打印过程(来源:Northwestern University)

“我们的技术和其他技术一样会产生热量,但是我们有一个界面可以消除热量。同时,这个界面也是不沾材质的,所以不会让树脂粘在打印机上。这可能会让打印机的速度提高一百倍,因为不必在打印设备的底部反复切割这些部件。” Chad A. Mirkin 和 James Hedrick 对外如此表示。

目前,西北大学研究团队开发的 HARP 新型立体打印技术正在申请专利。HARP 技术可以将液体塑料转化为固体产品,它使用投射的紫外线在垂直方向将液体树脂固化成硬化塑料来进行打印。该方法可以打印出坚硬的、有弹性的,甚至是陶瓷制品。与其他常见 3D 打印技术制造的层压结构相比,应用 HARP 技术打印的部件具有更强的机械强度,可以用作汽车、飞机、牙科、矫形手术、服饰等产品的零部件。

图 | 可连续打印的移动界面描述:A.HARP 的 3D 打印技术方案;B.在不同流速下打印部件的速度分布,表明存在滑移边界;C.有代表性的打印零部件滑移边界流动剖面插图(来源:Science

给制造业带来“大”影响

传统制造方法目前仍是一个繁琐的工艺过程。通常要预先设计出模具,并不断调整验证,这些模具相对昂贵,容易产生静电,并且占用仓储空间。制造商要猜测可能需要生产多少零件来预先计划模具的使用量,还得将这些模具存储在巨大的仓库中。而 3D 打印则可以将整个流程简化,实现按需制造。当然,根据产量的多少,模具与 3D 打印之间存有一个“盈亏平衡点”。

尽管目前 3D 打印已经从原型参考过渡到实际生产制造,但现有市场 3D 打印机的尺寸和速度将产品限制在小尺寸与小规模的生产中——当下相对成熟的商用打印尺寸基本和一个篮球鞋鞋盒大小相近。而应用 HARP 的设备是第一台可以同时大批量制备大/小尺寸零件的 3D 打印机。

Mirkin 说:“当我们可以快速且大尺寸地打印时,这项技术就可以着实去改变人们对制造的看法。借助 HARP,人们可以在没有模具、没有零件仓库的情况下,根据需求去生产可以想象的任何东西。”

之前并非没人去做大尺寸的 3D 打印机,但其他的打印技术都减慢或降低了分辨率。其他可以和 HARP 设备打印同等规模的打印机生产的零部件,通常都需要进行打磨或者再加工等“打印后处理”,这不但没简化工艺,还增加了生产过程中的人工成本。使用 HARP 技术则不必做出类似的让步,其使用高分辨率的光图案来实现即用型零件的打印,无需进行大量的后处理,在商业上是一条可行的生产消费品的途径。

“从体积上来看,我们做出了数量级级别的提升。”Mirkin 说道。

图 | 打印树脂材料的广泛展示树脂材料的广泛展示:A.硬质可加工聚氨酯丙烯酸酯零件(打印速率为 120 μm/s,光学分辨率为 100 μm);B.后处理的碳化硅陶瓷印刷晶格(打印速率为 120 μm/s,光学分辨率为 100 μm);C&D.松弛状态和张力下的印刷丁二烯橡胶结构(打印速率为 30μm/s,光学分辨率为 100 μm);E.聚丁二烯橡胶在压缩后恢复为膨胀的晶格(打印速率为 30 μm/s,光学分辨率为 100 μm);F.在不到 3 小时的时间内打印出约 1.2 米的硬质聚氨酯丙烯酸酯晶格(垂直打印速度为 120 μm/s,光学分辨率为 250 μm);比例尺为 1 cm(来源:Science)

独角兽和黑马

纵观 3D 打印这个行业,它已历经过初期的“风口”,并在度过 5、6 年的“挤水分”过程之后又一次活跃于大众视野中。在美国,3D 打印行业已经催生出 3 家“独角兽”企业,其中创立 5 年、估值已达 24 亿美元的 Carbon 公司领跑,身后又有 Formlabs 和 Desktop Metal 两家公司紧随其脚步。

在中国,同样也有初创公司投身于该行业,Carbon 的“师弟” Revo 塑成(两名创始人来自弗吉尼亚理工学院的同一个实验室)和 LuxCreo 清锋时代两家目前在国内相对领先。而纵观以 3D 打印起家的公司,其创始人团队都有一个共同的特点——都有极为耀眼的科研背景。简单概括一下,Carbon 和 Revo 塑成之于弗吉尼亚理工,Formlabs 之于哈佛大学,Desktop Metal 之于麻省理工,清锋时代之于清华大学。

而这项出自西北大学的研究突破是否会一举打破现有 3D 打印行业的格局?这有待时间去检验,而且或许不会太久。研究团队给出的时间表是 18 个月内,该设备可投入市场。

图 | 由 HARP 技术打印出的公司 Logo(来源:Northwestern University)

现在,James Hedrick 已经联合研究团队创立了 Azul 3D 公司,该技术的研究人员和西北大学均持有该公司的股权。与其他 3D 打印头部公司的团队精英背景相似,Azul 3D 的 CEO & 联合创始人 James Hedrick 本科毕业于麻省理工学院,并在今年获得西北大学博士学位。

在 Azul 3D 目前只有十几人的团队中,机械工程师 Edward Cottiss 毕业于弗吉尼亚理工学院——Carbon 和 Revo 塑成创始人的母校;化学工程师 Rachel Davis 本科毕业于麻省理工学院,并在 Formlabs 公司有过近 4 年的工作经历,其余人也均有着相当优秀的履历背景。

未来 3D 打印行业将走向何方,这个或许较难预测,但不出意外地应该会由这些学术精英们所引领。

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