高速大尺寸光固化3D打印技術(shù)登上《Science》，HARP會(huì)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(guó)西北大學(xué)的HARP (high-area rapid printing）技術(shù)；并且，科學(xué)家們也創(chuàng)辦了一個(gè)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(guó)好好學(xué)習(xí)。

△《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(jī)是制造的未來

按需快速制造可能會(huì)革掉庫存、模具的命

• 全新的3D打印機(jī)預(yù)計(jì)在1年半后進(jìn)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(dāng)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(jī)、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用零件
  

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

這項(xiàng)新技術(shù)被稱為HARP (high-area rapid printing高速大尺寸3D打�。�，可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的生產(chǎn)效率，并且是個(gè)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(huì)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(shí)現(xiàn)高分辨率，還可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)能，對(duì)傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)產(chǎn)生強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

南極熊了解到，目前HARP技術(shù)的樣機(jī)，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(gè)小時(shí)內(nèi)打印半米高的零件，這種產(chǎn)能效率創(chuàng)了全球紀(jì)錄。這意味著它可以一次打印單個(gè)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(qiáng)大，但實(shí)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(huì)做到這一點(diǎn)�！�


△在三種不同的打印條件下，一個(gè)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(xué)分辨率為100μm）的紅外熱圖像。（A）固定式打印界面。 （B）移動(dòng)界面。 （C）具有主動(dòng)冷卻功能的移動(dòng)界面。 面板之間經(jīng)過的時(shí)間（從左到右）為〜500 s； 比例尺，25毫米。 數(shù)據(jù)和熱色映射對(duì)應(yīng)于影片S1至S3。

Mirkin預(yù)測(cè)，HARP將在未來18個(gè)月內(nèi)進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。

這項(xiàng)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(xué)》雜志上。西北大學(xué)溫伯格文理學(xué)院的 George B. Rathmann 化學(xué)教授、國(guó)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(xiàng)研究，后兩人均為 Mirkin 實(shí)驗(yàn)室的研究人員。

冷卻技術(shù)
HARP使用一種新的、正在申請(qǐng)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(jiān)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(jī)械性能很好，可以用作汽車、飛機(jī)、牙科、矯形器、時(shí)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)分辨率為 100 μm）；F.在不到 3 小時(shí)的時(shí)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(xué)分辨率為 250 μm）；比例尺為 1 cm（來源：Science）

當(dāng)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(tái)光固化3D打印機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量熱量，甚至有時(shí)會(huì)超過180攝氏度。這不僅會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的高溫表面溫度，還會(huì)導(dǎo)致打印零件的破裂和變形。速度越快，打印機(jī)產(chǎn)生的熱量就越大。而且，如果又大又快，發(fā)熱量會(huì)非常高。這個(gè)問題，大多數(shù)3D打印公司無法解決。 Walker說：“當(dāng)這些打印機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，樹脂的聚合會(huì)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(dòng)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(dòng)剖面插圖（來源：Science）

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

“我們的技術(shù)像其他技術(shù)一樣會(huì)產(chǎn)生熱量，”Mirkin說。 “但是我們有一個(gè)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(jī)本身。這樣打印過程中，Z軸方向就不必做上下往返運(yùn)動(dòng)來去除粘力，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)液面打�。ê虲arbon3D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(jī)。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(jí)的圖案。然后，他將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)陣列的細(xì)筆，這些細(xì)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(jí)3D打印機(jī)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(gè)數(shù)量級(jí)。”Mirkin說。

這項(xiàng)名為“使用移動(dòng)液體界面進(jìn)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(guó)能源部空軍科學(xué)研究所（授予編號(hào)FA9550-16-1-0150）（獎(jiǎng)項(xiàng)編號(hào)為DE-SC0000989）和謝爾曼飛兆半導(dǎo)體基金會(huì)的支持。

成立公司Azul 3D
目前，科學(xué)家們已經(jīng)根據(jù)這個(gè)技術(shù)成立了一個(gè)公司，叫Azul 3D, Inc。西北大學(xué)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(dāng)我們可以快速且大尺寸地3D打印時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)就可以著實(shí)去改變?nèi)藗儗?duì)制造的看法。借助 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(jì)錄，也就是說超越了Carbon3D。南極熊認(rèn)為，Carbon3D等3D打印廠商未必會(huì)答應(yīng)。CLIP技術(shù)：這項(xiàng)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(shí)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(jī)L1，目標(biāo)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(jī)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(jī)型相比，L1的打印尺寸擴(kuò)大了5倍。并且Carbon預(yù)計(jì)2019年會(huì)安裝1000臺(tái)3D打印機(jī)用于生產(chǎn)。據(jù)南極熊了解，Carbon的機(jī)器不會(huì)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(jī)型的年費(fèi)為5萬美元，每年還需購(gòu)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(jià)格，無疑會(huì)更高。如果Carbon在2019年之前已經(jīng)安裝了1000臺(tái)機(jī)器，2019年新裝了1000臺(tái)，那么一共就可以有2000臺(tái)。如果按照7萬元/臺(tái)的商業(yè)運(yùn)營(yíng)價(jià)格，年收入可達(dá)1.4億美元了。
2019年6月，南極熊報(bào)道了3D打印領(lǐng)域的獨(dú)角獸公司Carbon獲得了E輪的投資，融資規(guī)模高達(dá)2.6億美元（約18億元人民幣），而估值則達(dá)到了24億美元（165億元人民幣），已經(jīng)成為全球最具價(jià)值的3D打印公司之一。

中國(guó)的高速3D打印廠商

另外，中國(guó)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(shí)代LuxCreo、北京金達(dá)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(huì)上，Revo塑成科技（北京）有限責(zé)任公司發(fā)布了國(guó)內(nèi)首款商業(yè)化工業(yè)級(jí)高速光固化3D打印機(jī)Type E+。


△Type E+，實(shí)測(cè)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(dá)到 300mm/h （具體數(shù)值因材料或測(cè)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(yùn)用熱激活可編程化學(xué)，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(jī)械性能，及光潔的表面。DPM是使得3D 打印批量成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵。

清鋒時(shí)代LuxCreo

2019年8月，中國(guó)高速3D打印機(jī)廠商、3D打印規(guī)�；�服務(wù)商LuxCreo清鋒時(shí)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(jī)TriX系列，打印最大尺寸為190 mm x 120 mm x 420 mm

清鋒時(shí)代開發(fā)了量產(chǎn)型工業(yè)極速3D打印機(jī)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(shí)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(zhǎng)”的方式快速成型。這一技術(shù)基于Bottom-up DLP，通過改性界面實(shí)現(xiàn)連續(xù)液面高效成型，最高打印速度可達(dá)到1200mm/h，且能適用多種不同材料，真正可以實(shí)現(xiàn)批量化定制生產(chǎn)。據(jù)南極熊了解，清鋒時(shí)代的機(jī)器，未來也將會(huì)采用租賃模式對(duì)客戶進(jìn)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(guó)西北大學(xué)網(wǎng)站
https://news.northwestern.edu/st ... manufacturing/&fj=1

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