詳解100倍速3D打印技術(shù)

1停頓與重啟：SLA技術(shù)的缺陷

2015年3月20日，美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)的幾名研究人員在世界權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志發(fā)表文章，闡述了一種改進(jìn)的3D打印技術(shù)——CLIP技術(shù)，并被選為雜志封面。CLIP技術(shù)的速度提高到傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的數(shù)十倍乃至100倍；還未公開(kāi)的十倍速3D打印技術(shù)成為了浮云。

百倍速3D打印技術(shù)登上《科學(xué)》期刊封面

●停頓與重啟：SLA技術(shù)的缺陷
    CLIP技術(shù)，我們稱之為連續(xù)液體界面生產(chǎn)技術(shù)（Continuous Liquid Interface Production）。它與Formlabs Form 1+ 3D打印機(jī)的SLA技術(shù)有相似之處，都是采用紫外線照射光敏樹(shù)脂，使液體的樹(shù)脂聚合為固體，從而打印成型。那么遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出SLA技術(shù)的打印速度，CLIP施展了什么神奇的魔法呢？

CLIP 3D打印技術(shù)快速的秘密何在？（動(dòng)圖加快了播放，真實(shí)速度參考圖中時(shí)間） 圖源nerdist.com

    我們先對(duì)SLA技術(shù)的成型過(guò)程有一個(gè)簡(jiǎn)單的概念。SLA 3D打印機(jī)的樹(shù)脂池底部有一個(gè)透光的窗口，通常是玻璃材質(zhì)。打印平臺(tái)下降貼近窗口，中間的縫隙充滿液態(tài)的樹(shù)脂。紫外線透過(guò)玻璃照射樹(shù)脂，使很薄的一層樹(shù)脂快速聚合成為固體。

SLA 3D打印機(jī)底部紫外線照射產(chǎn)生固化反應(yīng) 圖源kudo3d.com

    事實(shí)上聚合的速度是很快的，并且隨著紫外線強(qiáng)度的增加，聚合的速度還能繼續(xù)加快。不過(guò)可惜的是，過(guò)快的聚合速度并沒(méi)有什么好處，會(huì)使得固化了的樹(shù)脂粘在玻璃窗口上，將打印平臺(tái)與下面的玻璃窗口粘合，導(dǎo)致打印失敗。

固化過(guò)快會(huì)使已經(jīng)固化的部分粘連在底部的玻璃窗口上

    SLA技術(shù)規(guī)避的辦法是，降低聚合樹(shù)脂的速度，在樹(shù)脂完全固化之前停止照射并下降樹(shù)脂池，使液體樹(shù)脂重新充滿縫隙，打印平臺(tái)上升一點(diǎn)，重復(fù)這個(gè)過(guò)程。

這個(gè)停頓和重啟的過(guò)程在打印中不斷重復(fù) 圖源gigaom.com

    打印中存在停頓，影響打印速度的是這個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，而不是樹(shù)脂材料聚合的速度。并且如果切片更細(xì)，那么分層更多，打印時(shí)間更是大大延長(zhǎng)。

2連續(xù)打�。焊弑端俚拿孛�

●連續(xù)打�。焊弑端俚拿孛�
    連續(xù)液體界面生產(chǎn)技術(shù)CLIP大大加速的秘密，就在于它的打印過(guò)程是連續(xù)的，沒(méi)有停頓。這里我們要知道一個(gè)前提，不管是SLA還是CLIP的聚合過(guò)程，氧氣都是阻聚物，在紫外線照射樹(shù)脂時(shí)阻止分子產(chǎn)生聚合。這也是為什么打印平臺(tái)要浸入樹(shù)脂液體，在無(wú)氧的環(huán)境中打印的原因。
    而CLIP恰好利用了氧氣阻聚物的效果，來(lái)避免固化的樹(shù)脂與底部透明窗口粘連。底部的玻璃窗口被替換為可以透過(guò)氧氣和光的聚四氟乙烯材料——我們常用的不粘鍋內(nèi)涂層就是聚四氟乙烯——氧氣通過(guò)窗口與樹(shù)脂底部液面接觸，形成了極薄的一層不能被紫外線固化的區(qū)域，叫做“死區(qū)”（Dead Zone）。

不粘鍋涂層常用聚四氟乙烯材料 圖源blog.sina.com.cn

CLIP 3D打印技術(shù)中 死區(qū)（Dead Zone）避免了粘連 圖源sciencemag.org

    而紫外線仍然可以透射通過(guò)死區(qū)，在上方繼續(xù)產(chǎn)生聚合作用。這樣一來(lái)，避免了固化的樹(shù)脂與底部窗口粘連；紫外線可以連續(xù)照射樹(shù)脂，而打印平臺(tái)也是連續(xù)上升的，大大加快了打印速度。
     需要說(shuō)明的是，不粘鍋和CLIP技術(shù)的聚四氟乙烯雖然都起到避免粘連的效果，但是原理卻不同。不粘鍋依靠聚四氟乙烯的耐高溫和摩擦系數(shù)低的特點(diǎn)，而CLIP技術(shù)則利用了它能通過(guò)氣體分子但不能通過(guò)液體分子的特點(diǎn)。

傳統(tǒng)光固化技術(shù)與CLIP的差距就在于停頓和重啟的過(guò)程 而CLIP是連續(xù)打印的 圖源sciencemag.org

    那么CLIP與傳統(tǒng)的SLA、SLS等3D打印技術(shù)相比，有多大的提升呢？第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)給出了準(zhǔn)確的數(shù)字：25倍到100倍。過(guò)去需要十幾個(gè)小時(shí)來(lái)3D打印的物體，CLIP只需要幾分鐘就可以打印出來(lái)。

3切片無(wú)關(guān)：打破速度與精度悖論

●切片無(wú)關(guān)：打破速度與精度悖論    由于是連續(xù)的照射過(guò)程，因此3D打印的速度不再受到切片層數(shù)量的影響，而是僅僅取決于紫外線照射時(shí)的聚合速度以及聚合的粘性。而切片層厚決定了打印成品的表面精度，由此打破了3D打印技術(shù)精度與速度不能同時(shí)提高的悖論。

100微米層厚的表面細(xì)節(jié) 圖源sciencemag.org

25微米層厚的表面細(xì)節(jié) 圖源sciencemag.org

1微米層厚的表面細(xì)節(jié) 接近完美 圖源sciencemag.org

    研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在1微米也就是千分之一毫米的切片精度下，打印出了肉眼難以辨識(shí)的光滑表面。這讓我們感到非常振奮。目前，幾位研究員已經(jīng)為CLIP技術(shù)申請(qǐng)了專利并獲得許可，專利號(hào)為WO 2014/126837 A2。

專利號(hào)WO 2014/126837 A2的CLIP專利已經(jīng)授權(quán) 來(lái)自谷歌專利搜索

    在目前的實(shí)驗(yàn)和展示中，CLIP技術(shù)原型3D打印機(jī)可以打印小至50微米、大至25厘米的物體。我們認(rèn)為CLIP技術(shù)，在桌面3D打印領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前的FDM技術(shù)和SLA技術(shù)。而在商業(yè)3D打印應(yīng)用領(lǐng)域，CLIP技術(shù)的前景不可限量。

50微米直徑的小物體（上）、10厘米高的埃菲爾鐵塔（左）和20厘米的鞋托（右） 圖源sciencemag.org

    那么在商業(yè)3D打印領(lǐng)域，惠普在2014年宣布“10倍速”的3D打印技術(shù)Multi Jet Fusion研發(fā)成功。它和同樣尚未在商業(yè)中應(yīng)用的CLIP技術(shù)相比，誰(shuí)的速度更快呢？

●惠普3D打印技術(shù) 面臨新挑戰(zhàn)
    提到更高速的3D打印技術(shù)，我們就必須提到惠普的Multi Jet Fusion技術(shù)。惠普在2014年末宣布這項(xiàng)技術(shù)研發(fā)成功，并展示原型3D打印機(jī)的時(shí)候，還沒(méi)有CLIP的任何消息。
    惠普Multi Jet Fusion的顛覆之處就在于，基于惠普現(xiàn)有的熱噴墨技術(shù)，將噴頭做成孔徑細(xì)小、密度極高的陣列，噴頭的一次單程運(yùn)動(dòng)就可以完成一層噴射材料的覆蓋。

惠普Multi Jet Fusion 3D打印機(jī)頂視圖示意 上方的材料噴頭和右側(cè)的墨水噴頭都可以覆蓋到中央的整個(gè)工作區(qū)

    與之相近的，是Stratasys的PolyJet技術(shù)，同樣是用一組噴頭模組來(lái)噴射。只不過(guò)PolyJet的優(yōu)勢(shì)不在于速度，而是在于多種材料的混合噴射。

Stratasys PolyJet技術(shù)示意 1到8號(hào)表示8個(gè)噴頭組成了噴頭模組 圖源stratasys.com.cn

    Multi Jet Fusion的噴頭陣列就是大大提高速度的秘密。并且，“10倍速”這個(gè)數(shù)據(jù)在惠普實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)與SLS和FDM技術(shù)的測(cè)試對(duì)比，已經(jīng)被驗(yàn)證。那么25-100倍速的CLIP，是不是遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于惠普的Multi Jet Fusion技術(shù)呢？我們看這個(gè)表格。

3D打印技術(shù)速度對(duì)比
CLIP	HP Multi Jet Fusion	PolyJet	SLS
單色	全彩	全彩	單色
連續(xù)液體	液滴	液滴	粉末
500mm/h	?	20mm/h	17mm/h

    從我們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，可以看到CLIP的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)每小時(shí)500mm高度的成型速度，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于PolyJet技術(shù)和SLS技術(shù)的�；萜誐ulti Jet Fusion的速度，仍然沒(méi)有數(shù)據(jù)可查。我們認(rèn)為CLIP相比惠普Multi Jet Fusion還是有速度優(yōu)勢(shì)的，不過(guò)達(dá)不到10倍于惠普Multi Jet Fusion的程度。
    惠普對(duì)Multi Jet Fusion技術(shù)的定位是一個(gè)高效率、低成本的商業(yè)化技術(shù)�；萜赵贛ulti Jet Fusion技術(shù)白皮書(shū)中闡述，這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“以更低成本的3D打印系統(tǒng)，媲美價(jià)格高昂設(shè)備的打印速度和質(zhì)量”的效果。
    而CLIP則是一個(gè)不論在桌面應(yīng)用還是在商業(yè)應(yīng)用上，都可以實(shí)現(xiàn)高效率、高精度、低成本應(yīng)用的技術(shù)。SLS技術(shù)的應(yīng)用成本高，主要面向航空航天、汽車制造、模具制造的領(lǐng)域；PolyJet成型速度較慢；所以在細(xì)分化的市場(chǎng)上，惠普面臨來(lái)自CLIP技術(shù)的新挑戰(zhàn)。
    我們?cè)嚳搭l出的新技術(shù)，會(huì)將3D打印應(yīng)用的市場(chǎng)引向何方。