新型3D打印技術(shù)再度來襲:能從液體中“拉”出物件!
發(fā)布時(shí)間:2016-01-21 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】如今,3D打印技術(shù)早已普及,人們對(duì)其也不再感到陌生。不過,最近網(wǎng)絡(luò)上流行的幾個(gè)有關(guān)3D打印的演示動(dòng)圖似乎顯得格外酷炫而特別:在五顏六色的液體中,埃菲爾鐵塔、“富勒烯”形狀的空心球體等模型像變魔術(shù)一樣被從液面上“拉”了出來。
這些神奇的動(dòng)圖都出自最近發(fā)表在《科學(xué)》(Science)上的一篇有關(guān)3D打印技術(shù)的研究論文。這種新技術(shù)顯然也征服了期刊的編輯,在期刊封面上都出現(xiàn)了這個(gè)從液體中打印出來的“倒立鐵塔”的身影。那么,這種液體3D打印技術(shù)究竟有什么過人之處?球和塔又是怎么從液體里“拉”出來的呢?
《科學(xué)》封面上的3D打印
液體如何變固體?
把相對(duì)容易流動(dòng)的液體材料變成固體,這種思路其實(shí)并不新鮮,硫化橡膠就是這種材料加工方式的典型例子。那么,固化的過程是如何發(fā)生的呢?下面,就讓我們來看圖說話:
在圖中,小a、小b、小c等等是一群活潑的聚合物分子,因?yàn)檫@些鏈狀的分子之間很容易相互移動(dòng),所以看上去是一灘黏黏的液體(有時(shí)候可能粘度很大,比如硫化前的天然橡膠,它從樹上滴下來的速度非常緩慢)。有一天惡魔把一把單純善良的固化劑混進(jìn)了小兄弟里面,小兄弟活潑依舊,絲毫沒有發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)的存在。突然有一天惡魔把這灘小兄弟連固化劑一起放進(jìn)了高溫高壓的一個(gè)東西里面(一般稱為硫化機(jī)/熱壓機(jī)),然后看似無害的固化劑長出了魔爪,死死抓住了小兄弟們,一個(gè)又一個(gè)的魔爪分別抓住不同的兄弟們,產(chǎn)生了很多交聯(lián)結(jié)構(gòu),即使沒有了高溫高壓也不會(huì)再放開。最后小兄弟們?cè)僖膊荒茈S便活動(dòng)了,這灘液體也變成了硬硬的一塊——這就是固化過程的通(dou)俗(bi)解釋。當(dāng)然也有些固化劑的固化原理是引發(fā)小分子聚合物上的基團(tuán)相互反應(yīng)的,這種一般被稱為引發(fā)劑。
小球怎么被“拉”出來?
在從液體里“拉”出固體的3D打印技術(shù)當(dāng)中,活化固化劑的方式從熱壓變成了光,所以這種技術(shù)被稱為立體光固化成型(SLA)。這里所用到的液體材料被稱為光敏樹脂,一般是環(huán)氧樹脂或不飽和聚酯等摻雜一些對(duì)特定波長敏感的光引發(fā)劑制成的。這類技術(shù)本身也并不是什么新生事物了,它的歷史可以追溯到1984年。
簡單來說,立體光固化的過程就是光照射光敏樹脂表面,使其固化成薄薄的一層固體,已經(jīng)固化完成的部分被一塊基板黏附著,逐漸與光照射面拉開一定距離(通常是每次移動(dòng)十幾個(gè)微米),然后在上一層固化樹脂的基礎(chǔ)上再進(jìn)行下一層的照射和固化。經(jīng)過層層固化疊加之后,最終就形成一個(gè)完整的立體結(jié)構(gòu)。下面這張圖表示的就是SLA設(shè)備的基本結(jié)構(gòu),固化反應(yīng)發(fā)生在打印樹脂與透光玻璃板的交界面上,由于光照射面在液面的下方,打印的過程看上去就像從液體里“拉”出了打印制件一樣。
CLIP:更快、更光滑
而這次的論文展示的是一種名叫連續(xù)液態(tài)界面制造(CLIP)的改良技術(shù),從本質(zhì)上講,它也是立體光固化技術(shù)的一種。但作為登上《科學(xué)》封面的新技術(shù),它絕不僅僅是這么簡單。CLIP技術(shù)不僅可以穩(wěn)定地提高3D打印速度,同時(shí)還可以大幅提高打印精度。這種新型的CLIP技術(shù)制作一個(gè)普通模型所需要的時(shí)間只有短短幾分鐘,與傳統(tǒng)方法相比快了幾十倍。而且,它還可以相對(duì)輕松地得到無層面(layerless)的打印制品(參見下圖)。與傳統(tǒng)光固化技術(shù)相比,CLIP帶來的這種改變可以堪稱是革命性的。
打印制品的顯微結(jié)構(gòu)
所有的3D打印過程都需要面對(duì)打印精度與打印速度的權(quán)衡問題。比如平時(shí)最常見的熔絲沉積(FDM)的打印方式,這種方式需要將加熱熔化的材料像擠奶油一樣地?cái)D出來,并逐層堆積形成需要的形狀。擠出的熔化材料的粗細(xì)會(huì)直接影響制品的精度和打印速度,在實(shí)際操作中,打印精度往往讓步于打印速度。為了在人們能夠接受的時(shí)間內(nèi)得到制品,F(xiàn)DM制品的表面幾乎都會(huì)留下明顯的平行紋理。傳統(tǒng)的SLA技術(shù)雖然每一層的打印速度快于FDM,并且可以通過將模型切成更薄切片進(jìn)行打印的方法來使層面結(jié)構(gòu)變得相對(duì)不那么明顯,但是要做到無層面結(jié)構(gòu)幾乎是不可能的。即使在保證最基礎(chǔ)打印精度的情況下進(jìn)行打印,我們采用SLA技術(shù)的一個(gè)變種DLP(它采用投影儀作為光源,而不是像傳統(tǒng)SLA那樣使用紫外激光)技術(shù)打印一個(gè)15厘米高的埃菲爾鐵塔模型也需要大約2小時(shí)。然而,這種新型的CLIP技術(shù)卻打破了這種兩難局面,在保證精度的前提下極大地提高了打印速度。它為什么能產(chǎn)生如此革命性的改變?把打印面放大來仔細(xì)對(duì)比研究一下,就能發(fā)現(xiàn)其中的玄機(jī):
傳統(tǒng)SLA技術(shù)(上圖)與改良的CLIP技術(shù)(下圖)對(duì)比
傳統(tǒng)SLA技術(shù)的固化受光引發(fā)劑種類、光引發(fā)劑濃度、光照強(qiáng)度和照射時(shí)間等條件的影響,一般引發(fā)劑濃度越高,光強(qiáng)度越高固化速度越快。光的強(qiáng)度會(huì)隨著射入物體的深度逐漸降低,只有靠近照射面的一小部分會(huì)固化的相對(duì)均勻和徹底,理論上打印的精度完全取決于具有足夠能量激活引發(fā)劑的光能夠穿透多深的樹脂。理論上講,只要提高引發(fā)劑濃度和光強(qiáng)就可以加快打印速度,但因?yàn)楣袒磻?yīng)發(fā)生在樹脂與透光板的交界面上,過快的反應(yīng)速度很容易使制件和透光板粘在一起,導(dǎo)致打印失敗。
在此前,解決這一問題的方法主要是降低固化速度,在樹脂完全固化之前移動(dòng)底板,使部分固化的樹脂與透光板脫離接觸,新的低粘度樹脂會(huì)補(bǔ)充到原來的位置,然后再開始下一層的固化。但這樣一來,打印速度就無法有效提高了。
而在新的CLIP系統(tǒng)中,研究者們通過固化-阻聚效應(yīng)的平衡巧妙地解決了這個(gè)問題。CLIP底面的透光板采用了透氧、透紫外光的特氟龍材料(聚四氟乙烯),而透過的氧氣進(jìn)入到樹脂液體中可以起到阻聚劑的作用,阻止固化反應(yīng)的發(fā)生。氧氣和紫外光照的作用在這個(gè)區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一種相互制衡的效果:一方面,光照會(huì)活化固化劑,而另一方面,氧氣又會(huì)抑制反應(yīng),使得靠近底面部分的固化速度變慢(也就是所謂的“dead zone”)。當(dāng)制件離開這個(gè)區(qū)域后,脫離氧氣制約的材料可以迅速地發(fā)生反應(yīng),將樹脂固化成型。在傳統(tǒng)的SLA技術(shù)中,抑制固化的氧氣本來是人們避之不及的存在,但是經(jīng)過巧妙設(shè)計(jì)之后,它反而成了提高打印效率的幫手,這也算是一種相當(dāng)戲劇性的逆轉(zhuǎn)。
除了快,CLIP系統(tǒng)也提高了3D打印的精度,而這一點(diǎn)的關(guān)鍵還也在“死區(qū)”上。傳統(tǒng)的SLA技術(shù)在打印換層的時(shí)候需要拉動(dòng)尚未完全固化的樹脂層,為了不破壞樹脂層的結(jié)構(gòu),每個(gè)單層切片都必須保證一定的厚度來維持強(qiáng)度。而CLIP的固化層下面接觸的是液態(tài)的“死區(qū)”,不需要擔(dān)心它與透光板粘連,因此自然也更不容易被破壞。于是,樹脂層就可以被切得更薄,更高精度的打印也就能夠?qū)崿F(xiàn)了。
這樣的方法聽起來很簡單,不過為了讓它順利工作,研究人員們也進(jìn)行了相當(dāng)復(fù)雜的計(jì)算與調(diào)試。通過合適的打印條件和原料液配方控制,困擾3D打印技術(shù)已久的高速連續(xù)化打印問題在CLIP技術(shù)中被完全克服,這是高分子學(xué)科工程史上一次融合應(yīng)用的創(chuàng)舉,登上《科學(xué)》封面確實(shí)當(dāng)之無愧。
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