點(diǎn)成型的加工方式難以實(shí)現(xiàn)快速打印，限制了3D打印技術(shù)在大規(guī)模低成本制造的應(yīng)用。那么是否有技術(shù)可以突破這一瓶頸呢？
把巧克力當(dāng)做“油墨”，從平面影像打印至層層堆疊出立體形狀，最后得到一個(gè)獨(dú)特的三維巧克力產(chǎn)品。這是3D打印技術(shù)在生活中的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用，但足以體現(xiàn)其在個(gè)性化定制上的優(yōu)勢(shì)和潛力。
3D打印技術(shù)發(fā)展至今已有30多年，這一技術(shù)使任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造成為可能。然而，由于3D打印依然受到各種因素的限制，除個(gè)別領(lǐng)域外（如隱形牙套的制作），這一技術(shù)至今仍甚少應(yīng)用于大規(guī)模制造。但近日，浙江大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授謝濤課題組的一項(xiàng)研究成果，也許會(huì)改寫(xiě)這一現(xiàn)狀。
該課題組報(bào)道了其熱塑性聚合物數(shù)字光處理技術(shù)（DLP）3D打印的成功嘗試。此工藝實(shí)現(xiàn)機(jī)制簡(jiǎn)單，材料具有一定的通用性，拓寬了3D打印在構(gòu)建功能3D器件（包括可重構(gòu)天線(xiàn)、形狀移動(dòng)結(jié)構(gòu)和微流體）方面的應(yīng)用范圍。該研究論文RapidOpen-Air Digital Light 3D Printing of Thermoplastic Polymer發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。
已有3D打印技術(shù)難以支撐大規(guī)模制造
目前，3D打印的大規(guī)模制造應(yīng)用，受到了生產(chǎn)效率、成本和材料性能這三大瓶頸性問(wèn)題的制約。謝濤告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，當(dāng)下已有的3D打印技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，卻都無(wú)法同時(shí)解決這三個(gè)問(wèn)題。
他解釋道，一般來(lái)說(shuō)，用于3D打印的高分子材料分為熱塑性材料和熱固性材料。其中加熱后能夠熔解的熱塑性材料可以用熔融沉積成型（FDM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）這兩種方法來(lái)進(jìn)行打印。FDM是目前最常見(jiàn)的打印方法，其工作原理為將熔化的熱塑性材料像擠牙膏一樣擠出并按結(jié)構(gòu)堆積凝固成型。
熱塑性材料還可以用于SLS打印。SLS是將激光掃描到材料粉末上，粉末熔融并冷卻凝固成型。由于激光是逐點(diǎn)掃描，這種方法的打印速度也很慢，并且高昂的設(shè)備價(jià)格也帶來(lái)了成本的增加。
另一種熱固性材料可用立體光刻技術(shù)（SLA）打印。SLA利用激光引發(fā)光固化液體的聚合反應(yīng)，激光逐點(diǎn)掃描固化成型。這是一種比較成熟的技術(shù)，其工作方式與SLS類(lèi)似，但設(shè)備同樣相對(duì)昂貴。
以上三種打印方式都是逐點(diǎn)打印，這種點(diǎn)成型的加工方式難以實(shí)現(xiàn)快速打印，限制了這些技術(shù)在大規(guī)模低成本制造的應(yīng)用。那么是否有技術(shù)可以突破這一瓶頸呢？
采用逐層打印的DLP對(duì)這一問(wèn)題作出肯定的答復(fù)。謝濤解釋說(shuō)，DLP技術(shù)和SLA技術(shù)同樣基于液體光固化原理。但與SLA不同，DLP利用普通的數(shù)字化光源如商業(yè)化的投影儀，而非激光，因此設(shè)備成本低。最重要的是，DLP是一種面成型技術(shù)，有別于其他點(diǎn)成型技術(shù)。DLP按面掃描成型，可以大弧度提升打印速度。謝濤認(rèn)為，DLP是大規(guī)模低成本制造最有希望實(shí)現(xiàn)的一種技術(shù)。
然而，這一技術(shù)也有其限制。一般來(lái)說(shuō)，DLP采用多官能度的光固化液態(tài)樹(shù)脂，在數(shù)字光照射下，樹(shù)脂發(fā)生交聯(lián)，形成熱固性聚合物，實(shí)現(xiàn)快速液固分離，但打印得到的熱固性聚合物無(wú)法再加工，限制了該技術(shù)在一些特定場(chǎng)合的應(yīng)用。原則上，如果將DLP技術(shù)擴(kuò)展到可再加工的熱塑性聚合物，就可以克服這一限制。
如何將DLP這種低成本快速打印技術(shù)和熱塑性材料的打印結(jié)合起來(lái)？對(duì)此，謝濤團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，通過(guò)控制打印過(guò)程中的聚合和傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)，成功實(shí)現(xiàn)了熱塑性聚合物超快速3D打印。
技術(shù)創(chuàng)新拓寬3D打印應(yīng)用范圍
首先要解決的，是DLP無(wú)法打印熱塑性材料這一缺陷。謝濤團(tuán)隊(duì)選擇了低粘度的液態(tài)單體，利用材料本身粘度低、表層氧阻聚的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了高速打印。以實(shí)驗(yàn)中選定的單體4 —丙烯酰嗎啉（ACMO）為例，ACMO具有超低粘度，加上表面氧阻聚，使新鮮樹(shù)脂能快速鋪展在已固化的平面，從而實(shí)現(xiàn)高速3D打印。
從原理、材料和工藝出發(fā)，謝濤將DLP打印的范圍從熱固性聚合物拓展到了熱塑性聚合物。
“那么做熱塑性材料的好處在哪里呢？”謝濤說(shuō)，“這里面用的高分子材料是水溶性的，我們不一定打終端產(chǎn)品，可以先打出一個(gè)具有水溶性的模具——打印模具非常之快。再填入其他材料，之后把它往熱水里一放，因?yàn)樗哂袩崴苄院退苄裕＞呔蜎](méi)了。這樣就可以做很多其他的材料。”
將一些無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)DLP技術(shù)打印的材料，使用DLP打印熱塑性聚合物作為犧牲模具，實(shí)現(xiàn)了這些材料的DLP打印，以此實(shí)現(xiàn)“用最簡(jiǎn)單的設(shè)備做最快速的打印”，正是謝濤團(tuán)隊(duì)的另一創(chuàng)新。
據(jù)謝濤介紹，以這種方法打印，最快能達(dá)到一小時(shí)打印73公分高的模具。與打印熱塑性材料的FDM、SLS、SLA等技術(shù)相比，這在速度上無(wú)疑有一個(gè)飛躍式的提升；而與傳統(tǒng)的DLP技術(shù)相比，又突破了只能打印熱固性材料的限制，實(shí)現(xiàn)了高速打印熱塑性聚合物，進(jìn)一步擴(kuò)大了3D打印的應(yīng)用范圍。
目前謝濤團(tuán)隊(duì)已為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了專(zhuān)利。“我們想找到合適的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，這是下一步要做的事。”謝濤告訴記者。
大規(guī)模定制化生產(chǎn)的3D制造時(shí)代
3D打印就好比是成熟的能工巧匠，能根據(jù)模型數(shù)據(jù)，完成零部件或是成品的打印制作，將高度復(fù)雜的定制產(chǎn)品變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，因此，在醫(yī)療設(shè)備、航空航天結(jié)構(gòu)、能源設(shè)備和軟機(jī)器人等工程應(yīng)用中顯示出巨大的應(yīng)用前景。
與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印制造具有明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，3D打印不依賴(lài)于生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)模板，不受傳統(tǒng)加工設(shè)備的限制，可以按需定制。此外，3D打印獨(dú)特的生產(chǎn)特點(diǎn)能使產(chǎn)品以更快的速度更新迭代，增加更多復(fù)雜結(jié)構(gòu)也不會(huì)帶來(lái)成本上的顯著增加，在設(shè)計(jì)和維護(hù)的環(huán)節(jié)上也更加靈活。
而謝濤團(tuán)隊(duì)對(duì)低成本高速3D打印技術(shù)作出的探索及其成果，也將對(duì)3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于大規(guī)模個(gè)性化定制生產(chǎn)起到積極的推動(dòng)作用，創(chuàng)造3D制造的時(shí)代。
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
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