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打印博覽會暨高峰論壇將在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技創(chuàng)新的開放合作共享交流平臺，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打�。╊I域成果及人才，促進行業(yè)各環(huán)節(jié)、產業(yè)鏈的銜接融合，在“增材制造工藝與裝備論壇”上，西安交通大學副教授王莉做了主題是《微噴多材料3D打印》的報告。

微噴多材料3D打印

下面南極熊根據現場速記整理的內容：

微噴多材料3D打印是3D打印里面相對比較熱門的，在昨天的高端論壇上，黃教授就已經提到了很推崇的惠普的技術，就是基于微噴打印的技術，惠普推出了尼龍粉末的噴射粘接熱溶的技術，利用這種技術做針對尼龍領域的注塑行業(yè)做一些工作，推出來以后很受工業(yè)界的認可和關注。惠普推出了關于基于微噴3D打印金屬粘接的技術，應用領域也是一些小的金屬零件和金屬模具行業(yè)，相對于前面一些專家和教授介紹的3D打印技術，這種技術有很強大的優(yōu)勢，在于它的速度，它的速度因為是基于微噴頭去做的，所以速度可以做的很高，其他的技術好多是以點的形式，點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。

我們在微噴3D打印方面做的工作，因為我們和增材院緊密結合做了很多工作，也就是我們的國創(chuàng)中心，關于國創(chuàng)中心對我們的支持。關于微噴3D打印技術，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，這一點大家都比較熟悉，如果大家對3D打印行業(yè)的技術生態(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，有一家很火熱的公司，是直接噴射金屬成形。

△噴射粘結3D打印技術原理圖

曾經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，成形金屬的時候，有某些階段可能會有粉末之間的融合，但是這個粉末并不是像SLM，這個粉末沒有粉床的概念，本身這個粉末就是噴出來的，所以我們也認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，比起單點激光成形，只是一個點來講已經上萬倍的工作效率，同時噴射直接成形以后，整體的性能方面后處理以后也是很有保證的。有很多同學和現場的專家了解過，屬于噴射粘接類的，包括一開始提到的惠普，主要噴射粘接，當然這個噴射粘接對于不同的廠家或者不同的研究機構，它的細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化方式。所以惠普的射流熔融3D打印技術，有獨特的表現，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品。昨天和惠普中國區(qū)的代表聊天，應該是明年能推出來。

△惠普MJF技術過程示意圖

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，石膏粉末有一個典型的公司代表，也是3D打印行業(yè)的先驅公司。至于砂的粘接工藝，離工業(yè)生產特別近的一個工藝手段，作為砂的粘接，在國際上有一家上市公司，都是已經在中國大陸開始推廣他們的業(yè)務，而且有很多服務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，他們已經基于砂型3D打印的設備，也算是引進消化吸收，做出了這種設備，已經建立了智能鑄造工廠。在這一塊兒他們也建立了多個智能鑄造工廠的中心，往外推廣他們的技術。據我了解，整體服務方面還是受到了大家的認可，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，80年代已經申請了專利，但是真正爆發(fā)點也是在最近這幾年，也是美國他們進行一些資本運作方面，確實有這種技術的積累，在資本市場融了4.8億美金。

△寧夏共享智能鑄造工廠

關于噴射粘接在某種意義上講，噴射的材料我們不認為是多材料，可能相對是單一的材料。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不同來體現。增材制造相當于本身是一個連續(xù)復雜的造型，經過處理以后，成形設備以后，很多不同的應用領域曾經可能都考慮過。其他的工藝受制于工藝基本原理的限制制約，這種實現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配，在量度尺度上去看，不管是什么材質的液滴，我們做所謂的數字化制造的時候，可以劃分的單元是很小很小的，在這方面因為可以劃分成很小的單元，而且單元之間可以去做點陣化、數字化的材質造型的處理，所以我在混材料的時候，可以在一層里面混很多材料，而且做一些量的調控，這方面相對精確的多。

對于我們來講，多材料成形的時候，工藝鏈短，一臺機器實現成形質量高、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，或者是前沿交叉領域的探索應用。比如我們2015年做的梯度材料，這個梯度還不是連續(xù)漸變的梯度，已經做到很好的功能，像他們設計的軟體機器人，當時是哈佛大學的老師做的研究，這個軟體機器人在落地的時候，如果你是剛性材料或者是柔性沒有那么好的材料，在它關節(jié)處或者著力點，或者應力集中的地方，很容易出現問題。但是因為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現軟體機器人，首先是基于設計，在設計過程中已經做了多材料的設計，它在落地的時候，保證了這種關節(jié)處或者關鍵部位使用的受益，提升了使用的性能，本來可能剛性很強，落下去再反彈，因為沖擊的原因沒有那么高，被地面吸收或者怎么樣，但是因為我們做柔性反彈方面也會做的比較好，同時對它的關節(jié)處也有很大的保護作用。

做4D打印的時候，完全不同材質性能的調控，通過打印可以實現自驅動。比如2016年我們做的實現一個熱驅動功能，本身是松開的軟體抓手，根據熱驅動可以把下面放一個螺釘，熱驅動直接把它抓取起來，這些工作是完全可以多材料體系來實現的。當然還有一些工學器械，我們都知道做為透鏡，有個折射率的問題，但是如果我們構造一個不同的多層折射率的透鏡，可能改變光度方面，就出現了意想不到的效果。當然現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，國內有一家，國際上兩家，美國的、日本的，這能夠實現多通道材料一次性混合打印，其他家的可能不能實現所謂的連續(xù)界面。如果做功能梯度材料，我先設計然后去實現功能，這個模型是通過設計有一個函數，相當于是可解析的一個材料，實現不同分布，根據模型實現我的切片以后，用我們這種微噴方式實現打印不同部位，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，同時成形最初的原樣是這樣的，因為數字調配的功能，給它一定加熱的時候，可以看到它的彎曲程度是不一樣的。還有對光響應的材料就不說了。我們在西安已經有人在做噴墨的視網膜神經細胞打印，里面可以有細胞，當然也可以有一些供細胞生長的基液。

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，對于不同的體系來說，要求的噴打條件不太一樣，我們已經形成產品的是我們這一款ZC-C01，整個噴打體系是我們自己開發(fā)的，目前可以從數據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，作為我們這一款設備，大家用過3D打印都知道切片的問題，可能相對來講有現成的切片去用，而對于我們來講，對應的打印單元是不一樣的，所以我們切片做的是同時導入多個不同數據格式的切片，可以基于不同材質空間或者不同功能材料進行切片渲染，導出格式是多樣化的。這是我們做的心臟模型的動態(tài)切片展示，這是我們打印工藝過程大概的工藝原理展示，特點在于數據處理的時候有一個體塑化的過程。這個腳模型是基于我們自己的設備開發(fā)出來打印的醫(yī)學模型。對應的色彩有色域的展示，對于數字化調控會有一個多材質梯度場信息的展示。

我們做這個事情之前，在國家增材制造創(chuàng)新中心的平臺上，做了一個國家重點研發(fā)計劃的項目，為什么我們會做這一系列的事情？前期不管是裝備、工藝實現還是元器件上都有一些探索，噴頭方面我們已經有三款在研的產品，已經可以實現打印過程了。這是我們用噴射打印所打出來的一些材料和裝備實現的模型。我們有一個打印頭的中試線，希望形成以微噴打印技術為服務的服務平臺，同時在這方面形成系列的產品，不管是噴頭還是以噴頭為主去搭建的設備，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)系我合作做相關的事情。目前有一些基本的服務內容或者可提供的服務，比如切片，比如打印系統(tǒng)，比如打印頭方面的測試，有相關的問題可以溝通探討。打印材料我們也可以做測評，對于大家做其他的打印你們應該有所體會，比如這個材料好不好擠出，和溫度和流動性都有很大的關系。我們這一塊兒作為噴射出來的，這方面的要求更高。匹配性測試是很重要的事情，當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用方案的開發(fā)或者技術開發(fā)的委托開發(fā)。