3D打印新技術(shù)可快速生成“大物件”

來源： 中國科學報

2019年10月17日，Mirkin及其在伊利諾伊州埃文斯頓市西北大學的同事宣布，他們已經(jīng)發(fā)明了一種3D打印機，可以高速打印出迄今為止最大的物體。這一進展可能會徹底改變汽車和飛機部件的制造，并削弱DeSimone公司的業(yè)務。不過，DeSimone說，“我喜歡看到這個領(lǐng)域的創(chuàng)新。”他表示自己并不擔心競爭，并指出當涉及到為客戶生產(chǎn)成品時，打印機的尺寸“只是個開始”。Mirkin的技術(shù)要在市場上證明其價值還有很長的路要走。

CLIP 技術(shù)

然而，并沒有參與這項工作的明尼阿波里斯市明尼蘇達大學化學家Michael McAlpine將這一成果描述為“一個相當重大的進步”。3D打印始于20世紀80年代初。如今，最常見的版本是利用光將液體塑料樹脂一層一層地固化成固體。當?shù)谝粚庸袒�完畢并從打印機中抽離后，投影儀將圖案照射到新的一層，該層固化后將與第一層連接。與大多數(shù)傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印機的精確度足以制造出更為復雜的設計。

然而，早期的3D打印速度很慢，通常要花一天中的大部分時間制造一個咖啡杯大小的物體。另一個問題是層與層之間的接口在結(jié)構(gòu)上非常脆弱，這使得最終的成品很易碎。

一個關(guān)鍵的進展出現(xiàn)在2015年，當時還在教堂山市北卡羅來納大學任職的DeSimone及其同事在《科學》雜志上報告了一種3D打印的新進展，被稱為連續(xù)液體界面生產(chǎn)（CLIP）。這種方法通過一個窗口將紫外線照射到充滿液體樹脂的區(qū)域。與此同時，這個窗口也允許氧氣擴散到液體中，并在那里創(chuàng)造了一個薄的“盲區(qū)”以抵抗固化。

在這個區(qū)域上方，光線將液體樹脂固化成固體。一個機械裝置緩慢地將正在生長的固體物質(zhì)拉出液體樹脂，同時使得額外的材料固化并附著在沒有接口的地方，最終得到的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上比之前的方法更加結(jié)實。

自從這項研究成果公布以來，DeSimone和他位于加利福尼亞州雷德伍德市的公司已經(jīng)籌集了6.8億多美元，并與包括阿迪達斯、福特和里德爾在內(nèi)的多家公司達成了生產(chǎn)協(xié)議，生產(chǎn)包括汽車零部件、運動鞋、牙齒植入物和橄欖球頭盔在內(nèi)的各種產(chǎn)品。

不過CLIP技術(shù)也有局限性。其中一個問題是固化過程會釋放熱量，導致打印出來的零件變形和開裂。為了有效地散熱，產(chǎn)品的橫截面積不能大于41.4厘米×25.9厘米。如今，Mirkin的研究團隊報告說，通過在液體樹脂下循環(huán)一種液體冷卻劑，然后再穿過一個冷卻裝置，可以直接從這些正在生長的打印產(chǎn)品中吸收熱量。


研究人員當天在《科學》雜志上寫道，這使得他們能夠在幾個小時內(nèi)打印出一個成人大小的3D物體。Mirkin指出，這種技術(shù)可以通過并排放置的4個投影儀發(fā)出的光，打印橫截面積近1平方米、高度超過4米的物體，他們將這一過程稱為“貼磚”。

Mirkin說，在未來，添加額外的投影儀可以讓他們能夠打印更大的物體。他表示：“從理論上講，我們的技術(shù)是無限的。”目前，Mirkin和他的同事成立了一家名為Azul 3D的公司，旨在使這項打印技術(shù)商業(yè)化。該公司正在改進原型機，預計將在18個月內(nèi)開始銷售這種3D打印機。