研究人員應(yīng)用了一種被稱為“HARP”（high-area rapid printing，大面積快速打印）的技術(shù)，其原型設(shè)備有著高約 4 米、橫向面積近 1 平方米的打印床。它能夠創(chuàng)造出破紀(jì)錄的產(chǎn)量，并且按需生產(chǎn)尺寸范圍更廣泛的產(chǎn)品。

在過去的 30 多年里，3D 打印領(lǐng)域的絕大部分科研努力都是為了挑戰(zhàn)傳統(tǒng)技術(shù)的極限。通常情況下，追求打印更大尺寸的部件要以犧牲速度、產(chǎn)量和分辨率為代價(jià)。但現(xiàn)在， HARP 技術(shù)要對(duì)過往的妥協(xié)說“不”，它一次可以打印出單個(gè)、大尺寸的部件或者許多不同的小部件。

研究團(tuán)隊(duì)宣稱，該技術(shù)可穩(wěn)定打印堅(jiān)硬耐用的部件和有彈性的物體，創(chuàng)新的界面循環(huán)液體去熱技術(shù)，可突破現(xiàn)有立體光刻 3D 打印極限，可以打印醫(yī)療設(shè)備、汽車、飛機(jī)和建筑物等部件……更令人振奮的消息是，這項(xiàng)技術(shù)不像大多數(shù)科研成果那樣，距離應(yīng)用遙遙無期，而是“未來 18 個(gè)月內(nèi)可投入市場(chǎng)”。

要注意的是，該技術(shù)打印人們習(xí)慣意義上叫“塑料”的產(chǎn)品。因?yàn)榻饘俸退芰蟽烧卟牧闲阅懿煌?、所用硬件的物理性能也不一樣，所以兩者?3D 打印方案不可同日而語。而塑料材料在不斷朝著高強(qiáng)度方向發(fā)展，這樣一些復(fù)雜構(gòu)件便可以被其替換，不僅便宜而且輕便。此外，塑料材料還可以避開復(fù)合缺陷等問題，并實(shí)現(xiàn)多元復(fù)合材料的生產(chǎn)。

該研究在今天發(fā)表于 Science 雜志，西北大學(xué)溫伯格文理學(xué)院的 George B. Rathmann 化學(xué)教授、國際納米技術(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。

圖 | 大尺寸 3D 打印過程照片（來源：Northwestern University）

突破技術(shù)制約

目前，制約 3D 打印機(jī)發(fā)展的一個(gè)主要限制因素就是熱量。每臺(tái)樹脂基 3D 打印機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量熱量，有時(shí)甚至?xí)^ 180 ℃。這樣會(huì)讓表面溫度升高到一個(gè)比較危險(xiǎn)的程度，還會(huì)導(dǎo)致打印出的部件開裂或變形。速度越快，打印機(jī)產(chǎn)生的熱量就越多。如果它又大又快的話，那么產(chǎn)生的熱量是極為強(qiáng)烈的。

這個(gè)問題已經(jīng)束縛了絕大多數(shù) 3D 打印公司，只能保持較小的打印尺寸，例如鞋盒大小已經(jīng)是天花板。David Walker 表示：“當(dāng)這些打印機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，樹脂聚合會(huì)放出許多熱量，他們目前還沒有辦法驅(qū)散它?！辈贿^，鑒于尺寸規(guī)模擴(kuò)大可以帶來的更廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，其他 3D 打印公司勢(shì)必也在進(jìn)行相關(guān)研究。

西北大學(xué)的技術(shù)則繞過了這個(gè)問題，他們使用了一種不沾液體，其表現(xiàn)類似于液體特氟龍（Teflon，聚四氟乙烯）。使用 HARP 的設(shè)備通過一個(gè)窗口投射光線，使樹脂在垂直移動(dòng)的平板上凝固；同時(shí)，“液體聚四氟乙烯”流過該窗口來消除熱量，并通過一個(gè)冷卻裝置使其循環(huán)。

“我們的技術(shù)和其他技術(shù)一樣會(huì)產(chǎn)生熱量，但是我們有一個(gè)界面可以消除熱量。同時(shí)，這個(gè)界面也是不沾材質(zhì)的，所以不會(huì)讓樹脂粘在打印機(jī)上。這可能會(huì)讓打印機(jī)的速度提高一百倍，因?yàn)椴槐卦诖蛴≡O(shè)備的底部反復(fù)切割這些部件?！?Chad A. Mirkin 和 James Hedrick 對(duì)外如此表示。

目前，西北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的 HARP 新型立體打印技術(shù)正在申請(qǐng)專利。HARP 技術(shù)可以將液體塑料轉(zhuǎn)化為固體產(chǎn)品，它使用投射的紫外線在垂直方向?qū)⒁后w樹脂固化成硬化塑料來進(jìn)行打印。該方法可以打印出堅(jiān)硬的、有彈性的，甚至是陶瓷制品。與其他常見 3D 打印技術(shù)制造的層壓結(jié)構(gòu)相比，應(yīng)用 HARP 技術(shù)打印的部件具有更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，可以用作汽車、飛機(jī)、牙科、矯形手術(shù)、服飾等產(chǎn)品的零部件。

圖 | 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）

給制造業(yè)帶來“大”影響

傳統(tǒng)制造方法目前仍是一個(gè)繁瑣的工藝過程。通常要預(yù)先設(shè)計(jì)出模具，并不斷調(diào)整驗(yàn)證，這些模具相對(duì)昂貴，容易產(chǎn)生靜電，并且占用倉儲(chǔ)空間。制造商要猜測(cè)可能需要生產(chǎn)多少零件來預(yù)先計(jì)劃模具的使用量，還得將這些模具存儲(chǔ)在巨大的倉庫中。而 3D 打印則可以將整個(gè)流程簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)按需制造。當(dāng)然，根據(jù)產(chǎn)量的多少，模具與 3D 打印之間存有一個(gè)“盈虧平衡點(diǎn)”。

盡管目前 3D 打印已經(jīng)從原型參考過渡到實(shí)際生產(chǎn)制造，但現(xiàn)有市場(chǎng) 3D 打印機(jī)的尺寸和速度將產(chǎn)品限制在小尺寸與小規(guī)模的生產(chǎn)中——當(dāng)下相對(duì)成熟的商用打印尺寸基本和一個(gè)籃球鞋鞋盒大小相近。而應(yīng)用 HARP 的設(shè)備是第一臺(tái)可以同時(shí)大批量制備大/小尺寸零件的 3D 打印機(jī)。

Mirkin 說：“當(dāng)我們可以快速且大尺寸地打印時(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、沒有零件倉庫的情況下，根據(jù)需求去生產(chǎn)可以想象的任何東西?！?/span>

之前并非沒人去做大尺寸的 3D 打印機(jī)，但其他的打印技術(shù)都減慢或降低了分辨率。其他可以和 HARP 設(shè)備打印同等規(guī)模的打印機(jī)生產(chǎn)的零部件，通常都需要進(jìn)行打磨或者再加工等“打印后處理”，這不但沒簡(jiǎn)化工藝，還增加了生產(chǎn)過程中的人工成本。使用 HARP 技術(shù)則不必做出類似的讓步，其使用高分辨率的光圖案來實(shí)現(xiàn)即用型零件的打印，無需進(jìn)行大量的后處理，在商業(yè)上是一條可行的生產(chǎn)消費(fèi)品的途徑。

“從體積上來看，我們做出了數(shù)量級(jí)級(jí)別的提升。”Mirkin 說道。

圖 | 打印樹脂材料的廣泛展示樹脂材料的廣泛展示：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）

獨(dú)角獸和黑馬

縱觀 3D 打印這個(gè)行業(yè)，它已歷經(jīng)過初期的“風(fēng)口”，并在度過 5、6 年的“擠水分”過程之后又一次活躍于大眾視野中。在美國，3D 打印行業(yè)已經(jīng)催生出 3 家“獨(dú)角獸”企業(yè)，其中創(chuàng)立 5 年、估值已達(dá) 24 億美元的 Carbon  公司領(lǐng)跑，身后又有 Formlabs 和 Desktop Metal 兩家公司緊隨其腳步。

在中國，同樣也有初創(chuàng)公司投身于該行業(yè)，Carbon 的“師弟” Revo 塑成（兩名創(chuàng)始人來自弗吉尼亞理工學(xué)院的同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室）和 LuxCreo 清鋒時(shí)代兩家目前在國內(nèi)相對(duì)領(lǐng)先。而縱觀以 3D 打印起家的公司，其創(chuàng)始人團(tuán)隊(duì)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)——都有極為耀眼的科研背景。簡(jiǎn)單概括一下，Carbon 和 Revo 塑成之于弗吉尼亞理工，F(xiàn)ormlabs 之于哈佛大學(xué)，Desktop Metal 之于麻省理工，清鋒時(shí)代之于清華大學(xué)。

而這項(xiàng)出自西北大學(xué)的研究突破是否會(huì)一舉打破現(xiàn)有 3D 打印行業(yè)的格局？這有待時(shí)間去檢驗(yàn)，而且或許不會(huì)太久。研究團(tuán)隊(duì)給出的時(shí)間表是 18 個(gè)月內(nèi)，該設(shè)備可投入市場(chǎng)。

圖 | 由 HARP 技術(shù)打印出的公司 Logo（來源：Northwestern University）

現(xiàn)在，James Hedrick 已經(jīng)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立了 Azul 3D 公司，該技術(shù)的研究人員和西北大學(xué)均持有該公司的股權(quán)。與其他 3D 打印頭部公司的團(tuán)隊(duì)精英背景相似，Azul 3D 的 CEO & 聯(lián)合創(chuàng)始人 James Hedrick 本科畢業(yè)于麻省理工學(xué)院，并在今年獲得西北大學(xué)博士學(xué)位。

在 Azul 3D 目前只有十幾人的團(tuán)隊(duì)中，機(jī)械工程師 Edward Cottiss 畢業(yè)于弗吉尼亞理工學(xué)院——Carbon 和 Revo 塑成創(chuàng)始人的母校；化學(xué)工程師 Rachel Davis 本科畢業(yè)于麻省理工學(xué)院，并在 Formlabs 公司有過近 4 年的工作經(jīng)歷，其余人也均有著相當(dāng)優(yōu)秀的履歷背景。

未來 3D 打印行業(yè)將走向何方，這個(gè)或許較難預(yù)測(cè)，但不出意外地應(yīng)該會(huì)由這些學(xué)術(shù)精英們所引領(lǐng)。

-End-

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

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2019-10/nu-bf3101319.php

https://www.linkedin.com/search/results/people/?facetCurrentCompany=%5B22298809%5D