西交大副教授王莉：微噴多材料3D打印

2019年9月19-21日，IAME中國（西安）國際3D打印博覽會(huì)暨高峰論壇將在西安高新國際會(huì)議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打�。┛萍紕�(chuàng)新的開放合作共享交流平臺(tái)，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打�。╊I(lǐng)域成果及人才，促進(jìn)行業(yè)各環(huán)節(jié)、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合，在“增材制造工藝與裝備論壇”上，西安交通大學(xué)副教授王莉做了主題是《微噴多材料3D打印》的報(bào)告。

微噴多材料3D打印

下面南極熊根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)速記整理的內(nèi)容：

微噴多材料3D打印是3D打印里面相對(duì)比較熱門的，在昨天的高端論壇上，黃教授就已經(jīng)提到了很推崇的惠普的技術(shù)，就是基于微噴打印的技術(shù)，惠普推出了尼龍粉末的噴射粘接熱溶的技術(shù)，利用這種技術(shù)做針對(duì)尼龍領(lǐng)域的注塑行業(yè)做一些工作，推出來以后很受工業(yè)界的認(rèn)可和關(guān)注。惠普推出了關(guān)于基于微噴3D打印金屬粘接的技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域也是一些小的金屬零件和金屬模具行業(yè)，相對(duì)于前面一些專家和教授介紹的3D打印技術(shù)，這種技術(shù)有很強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，在于它的速度，它的速度因?yàn)槭腔�于微噴頭去做的，所以速度可以做的很高，其他的技術(shù)好多是以點(diǎn)的形式，點(diǎn)到線到面的形式在做，這是從面的形式來講，或者以線到面的形式，以這種角度去做每一層的成形，所以提升速度很大。

我們?cè)谖��?D打印方面做的工作，因?yàn)槲覀兒驮霾脑壕o密結(jié)合做了很多工作，也就是我們的國創(chuàng)中心，關(guān)于國創(chuàng)中心對(duì)我們的支持。關(guān)于微噴3D打印技術(shù)，從我們的理解來講，噴射的材料直接成形，它就是成形的主體材料，這一類的有高分子材料、無機(jī)材料，比如陶瓷顆粒、金屬顆粒等，還有混合材料，本身混合不是在沒有打之前混合，而是打印過程中混在一塊兒，我根據(jù)功能的要求不同可能出來的器件也是不一樣的。從高分子的角度來講，這一點(diǎn)大家都比較熟悉，如果大家對(duì)3D打印行業(yè)的技術(shù)生態(tài)來說，大家知道他們做的是樹脂材料的直接成形，無機(jī)材料這一塊兒，噴射出來的材料是成形的主體，這方面大家以前聽說過，也是這兩三年內(nèi)，有一家很火熱的公司，是直接噴射金屬成形。

△噴射粘結(jié)3D打印技術(shù)原理圖

曾經(jīng)有人以為基于噴射打印的成形，是不是其他的粉末用什么樣的方式粘一塊兒或者熔一塊兒，成形金屬的時(shí)候，有某些階段可能會(huì)有粉末之間的融合，但是這個(gè)粉末并不是像SLM，這個(gè)粉末沒有粉床的概念，本身這個(gè)粉末就是噴出來的，所以我們也認(rèn)為是一種材料的直接成形。噴射類打印它的效率高，除了作為成形的最基本的單元，微噴頭是有成千上萬的孔在工作，比起單點(diǎn)激光成形，只是一個(gè)點(diǎn)來講已經(jīng)上萬倍的工作效率，同時(shí)噴射直接成形以后，整體的性能方面后處理以后也是很有保證的。有很多同學(xué)和現(xiàn)場(chǎng)的專家了解過，屬于噴射粘接類的，包括一開始提到的惠普，主要噴射粘接，當(dāng)然這個(gè)噴射粘接對(duì)于不同的廠家或者不同的研究機(jī)構(gòu)，它的細(xì)微工藝鏈上的工藝過程還是不同的，比如惠普的熔化劑和細(xì)化劑，其他的也有做粉末粘接的，比如塑料粉末粘接，并沒有用到這種所謂的細(xì)化方式。所以惠普的射流熔融3D打印技術(shù)，有獨(dú)特的表現(xiàn)，最主要的是希望能直接取代我的注塑件，就是做尼龍粉這一塊兒。惠普也宣傳有金屬粉末的粘接工藝，但到目前為止還沒有正式推出他們的正式產(chǎn)品。昨天和惠普中國區(qū)的代表聊天，應(yīng)該是明年能推出來。

△惠普MJF技術(shù)過程示意圖

作為粘接形式，粘的不只是塑料粉末、尼龍粉末，還有砂、陶瓷、石膏粉末，石膏粉末有一個(gè)典型的公司代表，也是3D打印行業(yè)的先驅(qū)公司。至于砂的粘接工藝，離工業(yè)生產(chǎn)特別近的一個(gè)工藝手段，作為砂的粘接，在國際上有一家上市公司，都是已經(jīng)在中國大陸開始推廣他們的業(yè)務(wù)，而且有很多服務(wù)客戶的砂型粘接的公司。我們國家寧夏共享在這方面工作做的很好，他們已經(jīng)基于砂型3D打印的設(shè)備，也算是引進(jìn)消化吸收，做出了這種設(shè)備，已經(jīng)建立了智能鑄造工廠。在這一塊兒他們也建立了多個(gè)智能鑄造工廠的中心，往外推廣他們的技術(shù)。據(jù)我了解，整體服務(wù)方面還是受到了大家的認(rèn)可，他們的訂單很多。至于陶瓷和金屬這種直接噴射粘接形式的3D打印，最初是起源于美國MRT的技術(shù)，80年代已經(jīng)申請(qǐng)了專利，但是真正爆發(fā)點(diǎn)也是在最近這幾年，也是美國他們進(jìn)行一些資本運(yùn)作方面，確實(shí)有這種技術(shù)的積累，在資本市場(chǎng)融了4.8億美金。

△寧夏共享智能鑄造工廠

關(guān)于噴射粘接在某種意義上講，噴射的材料我們不認(rèn)為是多材料，可能相對(duì)是單一的材料。從多材料的角度來講，前面所介紹的直接成形的工藝，真正噴射出來的材料本質(zhì)不同來體現(xiàn)。增材制造相當(dāng)于本身是一個(gè)連續(xù)復(fù)雜的造型，經(jīng)過處理以后，成形設(shè)備以后，很多不同的應(yīng)用領(lǐng)域曾經(jīng)可能都考慮過。其他的工藝受制于工藝基本原理的限制制約，這種實(shí)現(xiàn)手段上可能很有局限性，大家所做的工作更多的還是單一材料成形。也有一些嘗試去做多材料，我們也看到有一些報(bào)道，但是他做的就不是連續(xù)分布的多材料，它的分布比如有一塊兒這種材料，一塊兒那種材料，作為連續(xù)漸變材料，很多工藝是沒有辦法提供連續(xù)漸變的手段。但是對(duì)于微滴噴射來講，光固化是其中一種，它所成形的材料可以做調(diào)配，在量度尺度上去看，不管是什么材質(zhì)的液滴，我們做所謂的數(shù)字化制造的時(shí)候，可以劃分的單元是很小很小的，在這方面因?yàn)榭梢詣澐殖珊苄〉膯卧�，而且單元之間可以去做點(diǎn)陣化、數(shù)字化的材質(zhì)造型的處理，所以我在混材料的時(shí)候，可以在一層里面混很多材料，而且做一些量的調(diào)控，這方面相對(duì)精確的多。

對(duì)于我們來講，多材料成形的時(shí)候，工藝鏈短，一臺(tái)機(jī)器實(shí)現(xiàn)成形質(zhì)量高、效益高，而且分布出來的材料特性也是不一樣的。真正用到多材料的時(shí)候，目前來講它可能更多的是探索階段的多材料，比如梯度材料，或者是前沿交叉領(lǐng)域的探索應(yīng)用。比如我們2015年做的梯度材料，這個(gè)梯度還不是連續(xù)漸變的梯度，已經(jīng)做到很好的功能，像他們?cè)O(shè)計(jì)的軟體機(jī)器人，當(dāng)時(shí)是哈佛大學(xué)的老師做的研究，這個(gè)軟體機(jī)器人在落地的時(shí)候，如果你是剛性材料或者是柔性沒有那么好的材料，在它關(guān)節(jié)處或者著力點(diǎn)，或者應(yīng)力集中的地方，很容易出現(xiàn)問題。但是因?yàn)?font color="#ff0000">我們用到多材料體系或者功能梯度材料體系，用噴射打印的方式實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人，首先是基于設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)做了多材料的設(shè)計(jì)，它在落地的時(shí)候，保證了這種關(guān)節(jié)處或者關(guān)鍵部位使用的受益，提升了使用的性能，本來可能剛性很強(qiáng)，落下去再反彈，因?yàn)闆_擊的原因沒有那么高，被地面吸收或者怎么樣，但是因?yàn)槲覀冏鋈嵝苑磸椃矫嬉矔?huì)做的比較好，同時(shí)對(duì)它的關(guān)節(jié)處也有很大的保護(hù)作用。

做4D打印的時(shí)候，完全不同材質(zhì)性能的調(diào)控，通過打印可以實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)。比如2016年我們做的實(shí)現(xiàn)一個(gè)熱驅(qū)動(dòng)功能，本身是松開的軟體抓手，根據(jù)熱驅(qū)動(dòng)可以把下面放一個(gè)螺釘，熱驅(qū)動(dòng)直接把它抓取起來，這些工作是完全可以多材料體系來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然還有一些工學(xué)器械，我們都知道做為透鏡，有個(gè)折射率的問題，但是如果我們構(gòu)造一個(gè)不同的多層折射率的透鏡，可能改變光度方面，就出現(xiàn)了意想不到的效果。當(dāng)然現(xiàn)在說到的三種都是很前沿的，以及我們比較接地氣的生物醫(yī)學(xué)上用的人體模型。

微噴打印系統(tǒng)如果以彩色來看，市面上大概上有三種到四種，國內(nèi)有一家，國際上兩家，美國的、日本的，這能夠?qū)崿F(xiàn)多通道材料一次性混合打印，其他家的可能不能實(shí)現(xiàn)所謂的連續(xù)界面。如果做功能梯度材料，我先設(shè)計(jì)然后去實(shí)現(xiàn)功能，這個(gè)模型是通過設(shè)計(jì)有一個(gè)函數(shù)，相當(dāng)于是可解析的一個(gè)材料，實(shí)現(xiàn)不同分布，根據(jù)模型實(shí)現(xiàn)我的切片以后，用我們這種微噴方式實(shí)現(xiàn)打印不同部位，比如多材料他們的性能是完全不一樣的。

4D打印我們自己也在做一些工作，我們做了一些比對(duì)，同時(shí)成形最初的原樣是這樣的，因?yàn)閿?shù)字調(diào)配的功能，給它一定加熱的時(shí)候，可以看到它的彎曲程度是不一樣的。還有對(duì)光響應(yīng)的材料就不說了。我們?cè)?font color="#ff0000">西安已經(jīng)有人在做噴墨的視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞打印，里面可以有細(xì)胞，當(dāng)然也可以有一些供細(xì)胞生長的基液。

增材院開發(fā)的系統(tǒng)，多材料微噴3D打印系統(tǒng)，我們也試過噴陶瓷墨水等，對(duì)于不同的體系來說，要求的噴打條件不太一樣，我們已經(jīng)形成產(chǎn)品的是我們這一款ZC-C01，整個(gè)噴打體系是我們自己開發(fā)的，目前可以從數(shù)據(jù)處理到建模到打印工藝規(guī)劃到打印模型輸出等，都有解決方案。這是我們最基本的配置，作為我們這一款設(shè)備，大家用過3D打印都知道切片的問題，可能相對(duì)來講有現(xiàn)成的切片去用，而對(duì)于我們來講，對(duì)應(yīng)的打印單元是不一樣的，所以我們切片做的是同時(shí)導(dǎo)入多個(gè)不同數(shù)據(jù)格式的切片，可以基于不同材質(zhì)空間或者不同功能材料進(jìn)行切片渲染，導(dǎo)出格式是多樣化的。這是我們做的心臟模型的動(dòng)態(tài)切片展示，這是我們打印工藝過程大概的工藝原理展示，特點(diǎn)在于數(shù)據(jù)處理的時(shí)候有一個(gè)體塑化的過程。這個(gè)腳模型是基于我們自己的設(shè)備開發(fā)出來打印的醫(yī)學(xué)模型。對(duì)應(yīng)的色彩有色域的展示，對(duì)于數(shù)字化調(diào)控會(huì)有一個(gè)多材質(zhì)梯度場(chǎng)信息的展示。

我們做這個(gè)事情之前，在國家增材制造創(chuàng)新中心的平臺(tái)上，做了一個(gè)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的項(xiàng)目，為什么我們會(huì)做這一系列的事情？前期不管是裝備、工藝實(shí)現(xiàn)還是元器件上都有一些探索，噴頭方面我們已經(jīng)有三款在研的產(chǎn)品，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)打印過程了。這是我們用噴射打印所打出來的一些材料和裝備實(shí)現(xiàn)的模型。我們有一個(gè)打印頭的中試線，希望形成以微噴打印技術(shù)為服務(wù)的服務(wù)平臺(tái)，同時(shí)在這方面形成系列的產(chǎn)品，不管是噴頭還是以噴頭為主去搭建的設(shè)備，也希望能和大家一塊兒共同合作，看看以后大家感興趣可以聯(lián)系我合作做相關(guān)的事情。目前有一些基本的服務(wù)內(nèi)容或者可提供的服務(wù)，比如切片，比如打印系統(tǒng)，比如打印頭方面的測(cè)試，有相關(guān)的問題可以溝通探討。打印材料我們也可以做測(cè)評(píng)，對(duì)于大家做其他的打印你們應(yīng)該有所體會(huì)，比如這個(gè)材料好不好擠出，和溫度和流動(dòng)性都有很大的關(guān)系。我們這一塊兒作為噴射出來的，這方面的要求更高。匹配性測(cè)試是很重要的事情，當(dāng)然我們希望在后面給大家能提供一些解決方案，或者大家找到我們做共同應(yīng)用方案的開發(fā)或者技術(shù)開發(fā)的委托開發(fā)。