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    西交大副教授王莉:微喷多材料3D打印

    2019-11-06来源:南极熊

      2019年9月19-21日,IAME中国(西安)国际3D打印博览会暨高峰论坛将在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造(3D打印)科技创新的开放合作共享交流平台,汇聚全球顶尖的增材制造(3D打印)领域成果及人才,促进行业各环节、产业链的衔接融合,在“增材制造工艺与装备论坛”上,西安交通大学副教授王莉做了主题是《微喷多材料3D打印》的报告。

      微喷多材料3D打印

      下面小编根据现场速记整理的内容:

      微喷多材料3D打印是3D打印里面相对比较热门的,在昨天的高端论坛上,黄教授就已经提到了很推崇的惠普的技术,就是基于微喷打印的技术,惠普推出了尼龙粉末的喷射粘接热溶的技术,利用这种技术做针对尼龙领域的注塑行业做一些工作,推出来以后很受工业界的认可和关注。惠普推出了关于基于微喷3D打印金属粘接的技术,应用领域也是一些小的金属零件和金属模具行业,相对于前面一些专家和教授介绍的3D打印技术,这种技术有很强大的优势,在于它的速度,它的速度因为是基于微喷头去做的,所以速度可以做的很高,其他的技术好多是以点的形式,点到线到面的形式在做,这是从面的形式来讲,或者以线到面的形式,以这种角度去做每一层的成形,所以提升速度很大。

      我们在微喷3D打印方面做的工作,因为我们和增材院紧密结合做了很多工作,也就是我们的国创中心,关于国创中心对我们的支持。关于微喷3D打印技术,从我们的理解来讲,喷射的材料直接成形,它就是成形的主体材料,这一类的有高分子材料、无机材料,比如陶瓷颗粒、金属颗粒等,还有混合材料,本身混合不是在没有打之前混合,而是打印过程中混在一块儿,我根据功能的要求不同可能出来的器件也是不一样的。从高分子的角度来讲,这一点大家都比较熟悉,如果大家对3D打印行业的技术生态来说,大家知道他们做的是树脂材料的直接成形,无机材料这一块儿,喷射出来的材料是成形的主体,这方面大家以前听说过,也是这两三年内,有一家很火热的公司,是直接喷射金属成形。

      喷射粘结3D打印技术原理图

      曾经有人以为基于喷射打印的成形,是不是其他的粉末用什么样的方式粘一块儿或者熔一块儿,成形金属的时候,有某些阶段可能会有粉末之间的融合,但是这个粉末并不是像SLM,这个粉末没有粉床的概念,本身这个粉末就是喷出来的,所以我们也认为是一种材料的直接成形。喷射类打印它的效率高,除了作为成形的最基本的单元,微喷头是有成千上万的孔在工作,比起单点激光成形,只是一个点来讲已经上万倍的工作效率,同时喷射直接成形以后,整体的性能方面后处理以后也是很有保证的。有很多同学和现场的专家了解过,属于喷射粘接类的,包括一开始提到的惠普,主要喷射粘接,当然这个喷射粘接对于不同的厂家或者不同的研究机构,它的细微工艺链上的工艺过程还是不同的,比如惠普的熔化剂和细化剂,其他的也有做粉末粘接的,比如塑料粉末粘接,并没有用到这种所谓的细化方式。所以惠普的射流熔融3D打印技术,有独特的表现,最主要的是希望能直接取代我的注塑件,就是做尼龙粉这一块儿。惠普也宣传有金属粉末的粘接工艺,但到目前为止还没有正式推出他们的正式产品。昨天和惠普中国区的代表聊天,应该是明年能推出来。

      惠普MJF技术过程示意图

      作为粘接形式,粘的不只是塑料粉末、尼龙粉末,还有砂、陶瓷、石膏粉末,石膏粉末有一个典型的公司代表,也是3D打印行业的先驱公司。至于砂的粘接工艺,离工业生产特别近的一个工艺手段,作为砂的粘接,在国际上有一家上市公司,都是已经在中国大陆开始推广他们的业务,而且有很多服务客户的砂型粘接的公司。我们国家宁夏共享在这方面工作做的很好,他们已经基于砂型3D打印的设备,也算是引进消化吸收,做出了这种设备,已经建立了智能铸造工厂。在这一块儿他们也建立了多个智能铸造工厂的中心,往外推广他们的技术。据我了解,整体服务方面还是受到了大家的认可,他们的订单很多。至于陶瓷和金属这种直接喷射粘接形式的3D打印,最初是起源于美国MRT的技术,80年代已经申请了专利,但是真正爆发点也是在最近这几年,也是美国他们进行一些资本运作方面,确实有这种技术的积累,在资本市场融了4.8亿美金。

      宁夏共享智能铸造工厂

      关于喷射粘接在某种意义上讲,喷射的材料我们不认为是多材料,可能相对是单一的材料。从多材料的角度来讲,前面所介绍的直接成形的工艺,真正喷射出来的材料本质不同来体现。增材制造相当于本身是一个连续复杂的造型,经过处理以后,成形设备以后,很多不同的应用领域曾经可能都考虑过。其他的工艺受制于工艺基本原理的限制制约,这种实现手段上可能很有局限性,大家所做的工作更多的还是单一材料成形。也有一些尝试去做多材料,我们也看到有一些报道,但是他做的就不是连续分布的多材料,它的分布比如有一块儿这种材料,一块儿那种材料,作为连续渐变材料,很多工艺是没有办法提供连续渐变的手段。但是对于微滴喷射来讲,光固化是其中一种,它所成形的材料可以做调配,在量度尺度上去看,不管是什么材质的液滴,我们做所谓的数字化制造的时候,可以划分的单元是很小很小的,在这方面因为可以划分成很小的单元,而且单元之间可以去做点阵化、数字化的材质造型的处理,所以我在混材料的时候,可以在一层里面混很多材料,而且做一些量的调控,这方面相对精确的多。

      对于我们来讲,多材料成形的时候,工艺链短,一台机器实现成形质量高、效益高,而且分布出来的材料特性也是不一样的。真正用到多材料的时候,目前来讲它可能更多的是探索阶段的多材料,比如梯度材料,或者是前沿交叉领域的探索应用。比如我们2015年做的梯度材料,这个梯度还不是连续渐变的梯度,已经做到很好的功能,像他们设计的软体机器人,当时是哈佛大学的老师做的研究,这个软体机器人在落地的时候,如果你是刚性材料或者是柔性没有那么好的材料,在它关节处或者着力点,或者应力集中的地方,很容易出现问题。但是因为我们用到多材料体系或者功能梯度材料体系,用喷射打印的方式实现软体机器人,首先是基于设计,在设计过程中已经做了多材料的设计,它在落地的时候,保证了这种关节处或者关键部位使用的受益,提升了使用的性能,本来可能刚性很强,落下去再反弹,因为冲击的原因没有那么高,被地面吸收或者怎么样,但是因为我们做柔性反弹方面也会做的比较好,同时对它的关节处也有很大的保护作用。

      做4D打印的时候,完全不同材质性能的调控,通过打印可以实现自驱动。比如2016年我们做的实现一个热驱动功能,本身是松开的软体抓手,根据热驱动可以把下面放一个螺钉,热驱动直接把它抓取起来,这些工作是完全可以多材料体系来实现的。当然还有一些工学器械,我们都知道做为透镜,有个折射率的问题,但是如果我们构造一个不同的多层折射率的透镜,可能改变光度方面,就出现了意想不到的效果。当然现在说到的三种都是很前沿的,以及我们比较接地气的生物医学上用的人体模型。

      微喷打印系统如果以彩色来看,市面上大概上有三种到四种,国内有一家,国际上两家,美国的、日本的,这能够实现多通道材料一次性混合打印,其他家的可能不能实现所谓的连续界面。如果做功能梯度材料,我先设计然后去实现功能,这个模型是通过设计有一个函数,相当于是可解析的一个材料,实现不同分布,根据模型实现我的切片以后,用我们这种微喷方式实现打印不同部位,比如多材料他们的性能是完全不一样的。

      4D打印我们自己也在做一些工作,我们做了一些比对,同时成形最初的原样是这样的,因为数字调配的功能,给它一定加热的时候,可以看到它的弯曲程度是不一样的。还有对光响应的材料就不说了。我们在西安已经有人在做喷墨的视网膜神经细胞打印,里面可以有细胞,当然也可以有一些供细胞生长的基液。

      增材院开发的系统,多材料微喷3D打印系统,我们也试过喷陶瓷墨水等,对于不同的体系来说,要求的喷打条件不太一样,我们已经形成产品的是我们这一款ZC-C01,整个喷打体系是我们自己开发的,目前可以从数据处理到建模到打印工艺规划到打印模型输出等,都有解决方案。这是我们最基本的配置,作为我们这一款设备,大家用过3D打印都知道切片的问题,可能相对来讲有现成的切片去用,而对于我们来讲,对应的打印单元是不一样的,所以我们切片做的是同时导入多个不同数据格式的切片,可以基于不同材质空间或者不同功能材料进行切片渲染,导出格式是多样化的。这是我们做的心脏模型的动态切片展示,这是我们打印工艺过程大概的工艺原理展示,特点在于数据处理的时候有一个体塑化的过程。这个脚模型是基于我们自己的设备开发出来打印的医学模型。对应的色彩有色域的展示,对于数字化调控会有一个多材质梯度场信息的展示。

      我们做这个事情之前,在国家增材制造创新中心的平台上,做了一个国家重点研发计划的项目,为什么我们会做这一系列的事情?前期不管是装备、工艺实现还是元器件上都有一些探索,喷头方面我们已经有三款在研的产品,已经可以实现打印过程了。这是我们用喷射打印所打出来的一些材料和装备实现的模型。我们有一个打印头的中试线,希望形成以微喷打印技术为服务的服务平台,同时在这方面形成系列的产品,不管是喷头还是以喷头为主去搭建的设备,也希望能和大家一块儿共同合作,看看以后大家感兴趣可以联系我合作做相关的事情。目前有一些基本的服务内容或者可提供的服务,比如切片,比如打印系统,比如打印头方面的测试,有相关的问题可以沟通探讨。打印材料我们也可以做测评,对于大家做其他的打印你们应该有所体会,比如这个材料好不好挤出,和温度和流动性都有很大的关系。我们这一块儿作为喷射出来的,这方面的要求更高。匹配性测试是很重要的事情,当然我们希望在后面给大家能提供一些解决方案,或者大家找到我们做共同应用方案的开发或者技术开发的委托开发。

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