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�,。┛萍紕�(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(lǐng)域成果及人才,，促進行業(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》的報告,。

微噴多材料3D打印

下面南極熊根據(jù)現(xiàn)場速記整理的內(nèi)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(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(shù)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(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，這一點大家都比較熟悉,，如果大家對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(jīng)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(xué)和現(xiàn)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(gòu),，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(shù),，有獨特的表現(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(shù)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(guān)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(zhì)不同來體現(xiàn)。增材制造相當于本身是一個連續(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(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(shù)字化的材質(zhì)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(diào)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(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,，像他們設(shè)計的軟體機器人,，當時是哈佛大學(xué)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(guān)節(jié)處或者著力點,，或者應(yīng)力集中的地方，很容易出現(xiàn)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(xiàn)軟體機器人，首先是基于設(shè)計,，在設(shè)計過程中已經(jīng)做了多材料的設(shè)計,，它在落地的時候，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，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(guān)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(zhì)性能的調(diào)控,，通過打印可以實現(xiàn)自驅(qū)動。比如2016年我們做的實現(xiàn)一個熱驅(qū)動功能,，本身是松開的軟體抓手,，根據(jù)熱驅(qū)動可以把下面放一個螺釘，熱驅(qū)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(xiàn)的,。當然還有一些工學(xué)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(gòu)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(xiàn)了意想不到的效果,。當然現(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現(xiàn)所謂的連續(xù)界面,。如果做功能梯度材料，我先設(shè)計然后去實現(xiàn)功能,，這個模型是通過設(shè)計有一個函數(shù),，相當于是可解析的一個材料，實現(xiàn)不同分布,，根據(jù)模型實現(xiàn)我的切片以后,，用我們這種微噴方式實現(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，同時成形最初的原樣是這樣的,，因為數(shù)字調(diào)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(yīng)的材料就不說了,。我們在西安已經(jīng)有人在做噴墨的視網(wǎng)膜神經(jīng)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(jīng)形成產(chǎn)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(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,，可能相對來講有現(xiàn)成的切片去用，而對于我們來講,，對應(yīng)的打印單元是不一樣的,，所以我們切片做的是同時導(dǎo)入多個不同數(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(shù)據(jù)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(shè)備開發(fā)出來打印的醫(yī)學(xué)模型,。對應(yīng)的色彩有色域的展示，對于數(shù)字化調(diào)控會有一個多材質(zhì)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(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現(xiàn)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(shù)為服務(wù)的服務(wù)平臺，同時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評,，對于大家做其他的打印你們應(yīng)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(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(yīng)用方案的開發(fā)或者技術(shù)開發(fā)的委托開發(fā),。