高速大尺寸光固化3D打印技術(shù)登上《Science》，HARP會超越Carbon3D嗎？

南極熊導(dǎo)讀：又是一篇發(fā)表在《Science》雜志上的革命性3D打印技術(shù)，高速、大尺寸、高產(chǎn)能！美國西北大學的HARP (high-area rapid printing）技術(shù)；并且，科學家們也創(chuàng)辦了一個公司“Azul 3D”。這和現(xiàn)在的全球估值最高的3D打印廠商之一Carbon3D走過的路子一模一樣，也是技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的最佳案例之一，值得我們中國好好學習。

△《Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface》，David A. Walker, James L. Hedrick, Chad A. Mirkin  Science  18 Oct 2019: Vol. 366, Issue 6463, pp. 360-364  DOI: 10.1126/science.aax1562

高速大尺寸3D打印機是制造的未來

按需快速制造可能會革掉庫存、模具的命

• 全新的3D打印機預(yù)計在1年半后進行商業(yè)化應(yīng)用
• 可以安全地3D打印出高硬度、耐用的零件，以及高彈性體
• 創(chuàng)新的液面可循環(huán)液體，可以消除熱量，突破當前光固化3D打印技術(shù)的限制
• 可用于打印醫(yī)療設(shè)備、汽車、飛機、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用零件
  

2019年10月17日，美國西北大學的研究人員宣布開發(fā)出一種大尺寸的高速3D打印機，可以在短短幾個小時內(nèi)打印出一個成年人大小的物體。

這項新技術(shù)被稱為HARP (high-area rapid printing高速大尺寸3D打�。�，可實現(xiàn)創(chuàng)紀錄的生產(chǎn)效率，并且是個性化生產(chǎn)。在過去的30年中，3D打印領(lǐng)域的大多數(shù)努力都旨在突破傳統(tǒng)技術(shù)的極限。通常是追求更大零件，但是會降低速度、產(chǎn)量和分辨率。有了HARP技術(shù)，就不需要考慮這些問題，不但可以實現(xiàn)高分辨率，還可以實現(xiàn)高產(chǎn)能，對傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)產(chǎn)生強大的競爭優(yōu)勢。

南極熊了解到，目前HARP技術(shù)的樣機，打印床尺寸為2.5平方英尺（0.2平方米）、Z軸高度為13英尺（約4米），可以在一個小時內(nèi)打印半米高的零件，這種產(chǎn)能效率創(chuàng)了全球紀錄。這意味著它可以一次打印單個大型零件或一批不同的小型零件。
領(lǐng)導(dǎo)HARP產(chǎn)品開發(fā)的Chad A. Mirkin說：“ 3D打印在概念上很強大，但實際上有很多限制。 如果我們能夠在不受材料和尺寸限制的情況下快速打印，我們將徹底改變制造方式。 HARP未來會做到這一點。”


△在三種不同的打印條件下，一個新的3D打印部件（硬質(zhì)聚氨酯丙烯酸酯樹脂；橫截面為5 cm×5 cm；垂直打印速度為120μm/ s；光學分辨率為100μm）的紅外熱圖像。（A）固定式打印界面。 （B）移動界面。 （C）具有主動冷卻功能的移動界面。 面板之間經(jīng)過的時間（從左到右）為〜500 s； 比例尺，25毫米。 數(shù)據(jù)和熱色映射對應(yīng)于影片S1至S3。

Mirkin預(yù)測，HARP將在未來18個月內(nèi)進行商業(yè)化應(yīng)用。

這項技術(shù)已經(jīng)以論文的形式，發(fā)表在2019年10月18日的《科學》雜志上。西北大學溫伯格文理學院的 George B. Rathmann 化學教授、國際納米技術(shù)研究所主任 Chad A. Mirkin，與 David Walker 及 James Hedrick 共同完成了這項研究，后兩人均為 Mirkin 實驗室的研究人員。

冷卻技術(shù)
HARP使用一種新的、正在申請專利的光固化3D打印技術(shù)。HARP采用垂直打印，用紫外線將液態(tài)樹脂固化為硬化的塑料。此過程可以打印出堅硬、有彈性甚至陶瓷。與其他3D打印技術(shù)常見的疊層結(jié)構(gòu)相反，這些連續(xù)打印的零件機械性能很好，可以用作汽車、飛機、牙科、矯形器、時尚等等的零件。
△支持不同的材料種類：A.硬質(zhì)可加工聚氨酯丙烯酸酯零件（打印速率為 120 μm/s，光學分辨率為 100 μm）；B.后處理的碳化硅陶瓷印刷晶格（打印速率為 120 μm/s，光學分辨率為 100 μm）；C&D.松弛狀態(tài)和張力下的印刷丁二烯橡膠結(jié)構(gòu)（打印速率為 30μm/s，光學分辨率為 100 μm）；E.聚丁二烯橡膠在壓縮后恢復(fù)為膨脹的晶格（打印速率為 30 μm/s，光學分辨率為 100 μm）；F.在不到 3 小時的時間內(nèi)打印出約 1.2 米的硬質(zhì)聚氨酯丙烯酸酯晶格（垂直打印速度為 120 μm/s，光學分辨率為 250 μm）；比例尺為 1 cm（來源：Science）

當前光固化3D打印技術(shù)速度提升的主要限制因素是熱量。每臺光固化3D打印機在高速運行時都會產(chǎn)生大量熱量，甚至有時會超過180攝氏度。這不僅會導(dǎo)致危險的高溫表面溫度，還會導(dǎo)致打印零件的破裂和變形。速度越快，打印機產(chǎn)生的熱量就越大。而且，如果又大又快，發(fā)熱量會非常高。這個問題，大多數(shù)3D打印公司無法解決。 Walker說：“當這些打印機高速運行時，樹脂的聚合會產(chǎn)生大量的熱量。他們無法消除這些熱量�！�
  
△可連續(xù)打印的移動界面描述：A.HARP 的 3D 打印技術(shù)方案；B.在不同流速下打印部件的速度分布，表明存在滑移邊界；C.有代表性的打印零部件滑移邊界流動剖面插圖（來源：Science）

“液態(tài)鐵氟龍”
西北大學的團隊通過類似于液體特氟龍不粘液體的行為來繞過了這個問題。 HARP通過窗口投射光線固化垂直移動的成型臺板上的樹脂。液體聚四氟乙烯在接口上流動得以除去熱量，然后通過冷卻單元進行循環(huán)。

“我們的技術(shù)像其他技術(shù)一樣會產(chǎn)生熱量，”Mirkin說。 “但是我們有一個可以散熱的接口�！�

南極熊注意到，HARP的液態(tài)樹脂界面也不粘，可以防止樹脂粘附到打印機本身。這樣打印過程中，Z軸方向就不必做上下往返運動來去除粘力，從而實現(xiàn)連續(xù)液面打印（和Carbon3D打印的技術(shù)原理一樣），速度提高了一百倍。
變大納米技術(shù)
Mirkin是世界著名的納米技術(shù)專家，于1999年發(fā)明了世界上最小的打印機。這種技術(shù)被稱為蘸筆式納米光刻技術(shù)，它使用一支微型筆畫出納米級的圖案。然后，他將其轉(zhuǎn)換為一個陣列的細筆，這些細筆中射出光線，從而固化樹脂材料。 HARP中使用的特殊不粘界面，起源于該技術(shù)開發(fā)為納米級3D打印機的過程。

“從體積的角度來看，我們已經(jīng)把納米應(yīng)用變大了18個數(shù)量級。”Mirkin說。

這項名為“使用移動液體界面進行快速、大容量、熱控制的3D打印”（“Rapid, large-volume, thermally-controlled 3D printing using a mobile liquid interface）的研究，得到了美國能源部空軍科學研究所（授予編號FA9550-16-1-0150）（獎項編號為DE-SC0000989）和謝爾曼飛兆半導(dǎo)體基金會的支持。

成立公司Azul 3D
目前，科學家們已經(jīng)根據(jù)這個技術(shù)成立了一個公司，叫Azul 3D, Inc。西北大學也持有該公司的股權(quán)。

△由 HARP 技術(shù)打印出的公司 Logo Azul 3D

Mirkin 說：“當我們可以快速且大尺寸地3D打印時，這項技術(shù)就可以著實去改變?nèi)藗儗χ圃斓目捶�。借�?HARP，人們可以在沒有模具、不需要零件倉庫的情況下，根據(jù)需求去生產(chǎn)任何東西�！�

Azul3D PK Carbon3D

Azul3D 有自己的HARP技術(shù)，Carbon3D有自己的CLIP技術(shù)，前者聲稱已經(jīng)突破了3D打印速度的最高紀錄，也就是說超越了Carbon3D。南極熊認為，Carbon3D等3D打印廠商未必會答應(yīng)。CLIP技術(shù)：這項技術(shù)的核心是“利用一層透氧膜，隔離光敏樹脂液體和空氣中的氧氣，實現(xiàn)高速、連續(xù)的3D打印成型”

截止2019年10月，Carbon3D已經(jīng)推出了最新一代的高速量產(chǎn)3D打印機L1，目標就是大批量生產(chǎn)應(yīng)用的。
△Carbon的 CEO Joe DeSimone，拿著3D打印的頭盔，背后就是高速量產(chǎn)3D打印機L1。與Carbon3d打印尺寸為7.4英寸x 4.6英寸x 12.8英寸（189毫米x 118毫米x 326毫米）的M2機型相比，L1的打印尺寸擴大了5倍。并且Carbon預(yù)計2019年會安裝1000臺3D打印機用于生產(chǎn)。據(jù)南極熊了解，Carbon的機器不會直接銷售，而是以租賃的方式來提供，設(shè)備+軟件+云服務(wù)，M2機型的年費為5萬美元，每年還需購買2萬美元的材料，一共至少是7萬美元每年。L1的租賃合作價格，無疑會更高。如果Carbon在2019年之前已經(jīng)安裝了1000臺機器，2019年新裝了1000臺，那么一共就可以有2000臺。如果按照7萬元/臺的商業(yè)運營價格，年收入可達1.4億美元了。
2019年6月，南極熊報道了3D打印領(lǐng)域的獨角獸公司Carbon獲得了E輪的投資，融資規(guī)模高達2.6億美元（約18億元人民幣），而估值則達到了24億美元（165億元人民幣），已經(jīng)成為全球最具價值的3D打印公司之一。

中國的高速3D打印廠商

另外，中國也有幾家做高速光固化3D打印的廠商，例如北京Revo塑成科技、北京清鋒時代LuxCreo、北京金達雷UNIZ等，其打印速度同樣非常快。

Revo塑成科技

2019年10月15日，在深圳TCT展會上，Revo塑成科技（北京）有限責任公司發(fā)布了國內(nèi)首款商業(yè)化工業(yè)級高速光固化3D打印機Type E+。


△Type E+，實測最快3D打印速度是傳統(tǒng)3D打印設(shè)備的50-100倍，Z軸成型速度達到 300mm/h （具體數(shù)值因材料或測試環(huán)境等因素結(jié)果不同）。

Type E+ 依靠 Revo 數(shù)字光子制造技術(shù)（Digital Photonic Manufacturing, DPM），加之在材料中運用熱激活可編程化學，攻克了傳統(tǒng) 3D 打印制品良莠不齊、易碎易壞等缺陷。使用 Type E+ 智造的成品可與傳統(tǒng)注塑模具制品媲美，具有極佳的機械性能，及光潔的表面。DPM是使得3D 打印批量成為現(xiàn)實的關(guān)鍵。

清鋒時代LuxCreo

2019年8月，中國高速3D打印機廠商、3D打印規(guī)�；�服務(wù)商LuxCreo清鋒時代公布已完成B輪融資3000萬美金。

△量產(chǎn)型工業(yè)極速3D打印機TriX系列，打印最大尺寸為190 mm x 120 mm x 420 mm

清鋒時代開發(fā)了量產(chǎn)型工業(yè)極速3D打印機TriX系列。它使用極速3D打印“LEAP™”技術(shù)，突破傳統(tǒng)制造模式，實現(xiàn)新型數(shù)字化的大規(guī)模定制。相較傳統(tǒng)3D打印技術(shù)而言，不需要層層疊加構(gòu)成三維物件，是通過一種“生長”的方式快速成型。這一技術(shù)基于Bottom-up DLP，通過改性界面實現(xiàn)連續(xù)液面高效成型，最高打印速度可達到1200mm/h，且能適用多種不同材料，真正可以實現(xiàn)批量化定制生產(chǎn)。據(jù)南極熊了解，清鋒時代的機器，未來也將會采用租賃模式對客戶進行提供。



參考：


“Rapid, Large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface”, David A. Walker, James Hedrick, Chad A. Mirkin, Science, Vol. 366, Issue 6463, pp. 360-364 https://science.sciencemag.org/content/366/6463/360

美國西北大學網(wǎng)站
https://news.northwestern.edu/st ... manufacturing/&fj=1

美國Carbon的CLIP高速3D打印技術(shù)專利http://m.lhkhtyz.com/thread-119241-1-1.html