3D打印新技術(shù)：球是怎么從液體里“拉”出來的？

請叫我財(cái)神

經(jīng)過這幾年的普及，人們對3D打印技術(shù)早已不再感到陌生。不過，最近網(wǎng)絡(luò)上流行的幾個(gè)有關(guān)3D打印的演示動(dòng)圖似乎顯得格外酷炫而特別：在五顏六色的液體中，埃菲爾鐵塔、“富勒烯”形狀的空心球體等模型像變魔術(shù)一樣被從液面上“拉”了出來：


這些神奇的動(dòng)圖都出自最近發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上的一篇有關(guān)3D打印技術(shù)的研究論文[1]。這種新技術(shù)顯然也征服了期刊的編輯，在期刊封面上都出現(xiàn)了這個(gè)從液體中打印出來的“倒立鐵塔”的身影。那么，這種液體3D打印技術(shù)究竟有什么過人之處？球和塔又是怎么從液體里“拉”出來的呢？

請叫我財(cái)神

液體如何變固體？

把相對容易流動(dòng)的液體材料變成固體，這種思路其實(shí)并不新鮮，硫化橡膠就是這種材料加工方式的典型例子。那么，固化的過程是如何發(fā)生的呢？下面，就讓我們來看圖說話：

在圖中，小a、小b、小c等等是一群活潑的聚合物分子，因?yàn)檫@些鏈狀的分子之間很容易相互移動(dòng)，所以看上去是一灘黏黏的液體（有時(shí)候可能粘度很大，比如硫化前的天然橡膠，它從樹上滴下來的速度非常緩慢）。有一天惡魔把一把單純善良的固化劑混進(jìn)了小兄弟里面，小兄弟活潑依舊，絲毫沒有發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)的存在。突然有一天惡魔把這灘小兄弟連固化劑一起放進(jìn)了高溫高壓的一個(gè)東西里面（一般稱為硫化機(jī)/熱壓機(jī)），然后看似無害的固化劑長出了魔爪，死死抓住了小兄弟們，一個(gè)又一個(gè)的魔爪分別抓住不同的兄弟們，產(chǎn)生了很多交聯(lián)結(jié)構(gòu)，即使沒有了高溫高壓也不會(huì)再放開。最后小兄弟們再也不能隨便活動(dòng)了，這灘液體也變成了硬硬的一塊——這就是固化過程的通（dou）俗（bi）解釋。當(dāng)然也有些固化劑的固化原理是引發(fā)小分子聚合物上的基團(tuán)相互反應(yīng)的，這種一般被稱為引發(fā)劑。

小球怎么被“拉”出來？

在從液體里“拉”出固體的3D打印技術(shù)當(dāng)中，活化固化劑的方式從熱壓變成了光，所以這種技術(shù)被稱為立體光固化成型（Stereo lithography Appearance，SLA）。這里所用到的液體材料被稱為光敏樹脂，一般是環(huán)氧樹脂或不飽和聚酯等摻雜一些對特定波長敏感的光引發(fā)劑制成的。這類技術(shù)本身也并不是什么新生事物了，它的歷史可以追溯到1984年[2]。

簡單來說，立體光固化的過程就是光照射光敏樹脂表面，使其固化成薄薄的一層固體，已經(jīng)固化完成的部分被一塊基板黏附著，逐漸與光照射面拉開一定距離（通常是每次移動(dòng)十幾個(gè)微米），然后在上一層固化樹脂的基礎(chǔ)上再進(jìn)行下一層的照射和固化。經(jīng)過層層固化疊加之后，最終就形成一個(gè)完整的立體結(jié)構(gòu)。下面這張圖表示的就是SLA設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，固化反應(yīng)發(fā)生在打印樹脂與透光玻璃板的交界面上，由于光照射面在液面的下方，打印的過程看上去就像從液體里“拉”出了打印制件一樣。

請叫我財(cái)神

CLIP：更快、更光滑

而這次的論文展示的是一種名叫連續(xù)液態(tài)界面制造（Continuous Liquid Interface Production，CLIP）的改良技術(shù)，從本質(zhì)上講，它也是立體光固化技術(shù)的一種。但作為登上《科學(xué)》封面的新技術(shù)，它絕不僅僅是這么簡單。CLIP技術(shù)不僅可以穩(wěn)定地提高3D打印速度，同時(shí)還可以大幅提高打印精度。這種新型的CLIP技術(shù)制作一個(gè)普通模型所需要的時(shí)間只有短短幾分鐘，與傳統(tǒng)方法相比快了幾十倍。而且，它還可以相對輕松地得到無層面（layerless）的打印制品（參見下圖）。與傳統(tǒng)光固化技術(shù)相比，CLIP帶來的這種改變可以堪稱是革命性的。

打印制品的顯微結(jié)構(gòu)。圖片來自原論文

所有的3D打印過程都需要面對打印精度與打印速度的權(quán)衡問題。比如平時(shí)最常見的熔絲沉積（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）的打印方式，這種方式需要將加熱熔化的材料像擠奶油一樣地?cái)D出來，并逐層堆積形成需要的形狀。擠出的熔化材料的粗細(xì)會(huì)直接影響制品的精度和打印速度，在實(shí)際操作中，打印精度往往讓步于打印速度。為了在人們能夠接受的時(shí)間內(nèi)得到制品，F(xiàn)DM制品的表面幾乎都會(huì)留下明顯的平行紋理。傳統(tǒng)的SLA技術(shù)雖然每一層的打印速度快于FDM，并且可以通過將模型切成更薄切片進(jìn)行打印的方法來使層面結(jié)構(gòu)變得相對不那么明顯，但是要做到無層面結(jié)構(gòu)幾乎是不可能的。即使在保證最基礎(chǔ)打印精度的情況下進(jìn)行打印，我們采用SLA技術(shù)的一個(gè)變種DLP（它采用投影儀作為光源，而不是像傳統(tǒng)SLA那樣使用紫外激光）技術(shù)打印一個(gè)15厘米高的埃菲爾鐵塔模型也需要大約2小時(shí)。然而，這種新型的CLIP技術(shù)卻打破了這種兩難局面，在保證精度的前提下極大地提高了打印速度。它為什么能產(chǎn)生如此革命性的改變？把打印面放大來仔細(xì)對比研究一下，就能發(fā)現(xiàn)其中的玄機(jī)：

請叫我財(cái)神

傳統(tǒng)SLA技術(shù)的固化受光引發(fā)劑種類、光引發(fā)劑濃度、光照強(qiáng)度和照射時(shí)間等條件的影響，一般引發(fā)劑濃度越高，光強(qiáng)度越高固化速度越快。光的強(qiáng)度會(huì)隨著射入物體的深度逐漸降低，只有靠近照射面的一小部分會(huì)固化的相對均勻和徹底，理論上打印的精度完全取決于具有足夠能量激活引發(fā)劑的光能夠穿透多深的樹脂。理論上講，只要提高引發(fā)劑濃度和光強(qiáng)就可以加快打印速度，但因?yàn)楣袒磻?yīng)發(fā)生在樹脂與透光板的交界面上，過快的反應(yīng)速度很容易使制件和透光板粘在一起，導(dǎo)致打印失敗。

在此前，解決這一問題的方法主要是降低固化速度，在樹脂完全固化之前移動(dòng)底板，使部分固化的樹脂與透光板脫離接觸，新的低粘度樹脂會(huì)補(bǔ)充到原來的位置，然后再開始下一層的固化。但這樣一來，打印速度就無法有效提高了。

而在新的CLIP系統(tǒng)中，研究者們通過固化-阻聚效應(yīng)的平衡巧妙地解決了這個(gè)問題。CLIP底面的透光板采用了透氧、透紫外光的特氟龍材料（聚四氟乙烯），而透過的氧氣進(jìn)入到樹脂液體中可以起到阻聚劑的作用，阻止固化反應(yīng)的發(fā)生。氧氣和紫外光照的作用在這個(gè)區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一種相互制衡的效果：一方面，光照會(huì)活化固化劑，而另一方面，氧氣又會(huì)抑制反應(yīng)，使得靠近底面部分的固化速度變慢（也就是所謂的“dead zone”）。當(dāng)制件離開這個(gè)區(qū)域后，脫離氧氣制約的材料可以迅速地發(fā)生反應(yīng)，將樹脂固化成型。在傳統(tǒng)的SLA技術(shù)中，抑制固化的氧氣本來是人們避之不及的存在，但是經(jīng)過巧妙設(shè)計(jì)之后，它反而成了提高打印效率的幫手，這也算是一種相當(dāng)戲劇性的逆轉(zhuǎn)。

除了快，CLIP系統(tǒng)也提高了3D打印的精度，而這一點(diǎn)的關(guān)鍵還也在“死區(qū)”上。傳統(tǒng)的SLA技術(shù)在打印換層的時(shí)候需要拉動(dòng)尚未完全固化的樹脂層，為了不破壞樹脂層的結(jié)構(gòu)，每個(gè)單層切片都必須保證一定的厚度來維持強(qiáng)度。而CLIP的固化層下面接觸的是液態(tài)的“死區(qū)”，不需要擔(dān)心它與透光板粘連，因此自然也更不容易被破壞。于是，樹脂層就可以被切得更薄，更高精度的打印也就能夠?qū)崿F(xiàn)了。

這樣的方法聽起來很簡單，不過為了讓它順利工作，研究人員們也進(jìn)行了相當(dāng)復(fù)雜的計(jì)算與調(diào)試。通過合適的打印條件和原料液配方控制，困擾3D打印技術(shù)已久的高速連續(xù)化打印問題在CLIP技術(shù)中被完全克服，這是高分子學(xué)科工程史上一次融合應(yīng)用的創(chuàng)舉，登上《科學(xué)》封面確實(shí)當(dāng)之無愧。

壞~蛋

其實(shí)類似于3D金屬打印一個(gè)形式，激光把金屬粉末逐層高溫凝固由下至上。

Cavalier_Ricky

3D打印的瓶頸，是材料學(xué)或化學(xué)之類的范疇吧，跟機(jī)械的發(fā)展沒太大的關(guān)系吧。

就像中國早開始大喊純電動(dòng)車，國家也應(yīng)該已經(jīng)扶持了不少企業(yè)了。

可到現(xiàn)在，還是沒看見什么有劃時(shí)代意義的新電瓶或新能源。

不知道那些錢都去哪里了。。。

--ヤ鬧鬧o

Cavalier_Ricky 發(fā)表于 2015-5-22 12:05
3D打印的瓶頸，是材料學(xué)或化學(xué)之類的范疇吧，跟機(jī)械的發(fā)展沒太大的關(guān)系吧。

就像中國早開始大喊純電動(dòng)車 ...

我最近看見一個(gè)新能源汽車，上面電池快要到一噸了，合理嗎？
我不知道電池存多少電，就知道車越沉越費(fèi)油。

風(fēng)。。。

--ヤ鬧鬧o 發(fā)表于 2015-5-22 12:21
我最近看見一個(gè)新能源汽車，上面電池快要到一噸了，合理嗎？
我不知道電池存多少電，就知道車越沉越費(fèi)油 ...

特斯拉上電池沒這么重，它這么重續(xù)航1000公里？