數字化制造

3D打印新技術助力規模化定制

zaoche168.com   2019年11月18日

        點成型的加工方式難以實現快速打印,限制了3D打印技術在大規模低成本制造的應用。那么是否有技術可以突破這一瓶頸呢?
把巧克力當做“油墨”,從平面影像打印至層層堆疊出立體形狀,最后得到一個獨特的三維巧克力產品。這是3D打印技術在生活中的一個簡單應用,但足以體現其在個性化定制上的優勢和潛力。
        3D打印技術發展至今已有30多年,這一技術使任意復雜結構的制造成為可能。然而,由于3D打印依然受到各種因素的限制,除個別領域外(如隱形牙套的制作),這一技術至今仍甚少應用于大規模制造。但近日,浙江大學化學工程聯合國家重點實驗室教授謝濤課題組的一項研究成果,也許會改寫這一現狀。
        該課題組報道了其熱塑性聚合物數字光處理技術(DLP)3D打印的成功嘗試。此工藝實現機制簡單,材料具有一定的通用性,拓寬了3D打印在構建功能3D器件(包括可重構天線、形狀移動結構和微流體)方面的應用范圍。該研究論文RapidOpen-Air Digital Light 3D Printing of Thermoplastic Polymer發表在《先進材料》上。


已有3D打印技術難以支撐大規模制造


        目前,3D打印的大規模制造應用,受到了生產效率、成本和材料性能這三大瓶頸性問題的制約。謝濤告訴記者,當下已有的3D打印技術各有優勢,卻都無法同時解決這三個問題。
        他解釋道,一般來說,用于3D打印的高分子材料分為熱塑性材料和熱固性材料。其中加熱后能夠熔解的熱塑性材料可以用熔融沉積成型(FDM)和選擇性激光燒結(SLS)這兩種方法來進行打印。FDM是目前最常見的打印方法,其工作原理為將熔化的熱塑性材料像擠牙膏一樣擠出并按結構堆積凝固成型。
        熱塑性材料還可以用于SLS打印。SLS是將激光掃描到材料粉末上,粉末熔融并冷卻凝固成型。由于激光是逐點掃描,這種方法的打印速度也很慢,并且高昂的設備價格也帶來了成本的增加。
        另一種熱固性材料可用立體光刻技術(SLA)打印。SLA利用激光引發光固化液體的聚合反應,激光逐點掃描固化成型。這是一種比較成熟的技術,其工作方式與SLS類似,但設備同樣相對昂貴。
        以上三種打印方式都是逐點打印,這種點成型的加工方式難以實現快速打印,限制了這些技術在大規模低成本制造的應用。那么是否有技術可以突破這一瓶頸呢?
        采用逐層打印的DLP對這一問題作出肯定的答復。謝濤解釋說,DLP技術和SLA技術同樣基于液體光固化原理。但與SLA不同,DLP利用普通的數字化光源如商業化的投影儀,而非激光,因此設備成本低。最重要的是,DLP是一種面成型技術,有別于其他點成型技術。DLP按面掃描成型,可以大弧度提升打印速度。謝濤認為,DLP是大規模低成本制造最有希望實現的一種技術。
        然而,這一技術也有其限制。一般來說,DLP采用多官能度的光固化液態樹脂,在數字光照射下,樹脂發生交聯,形成熱固性聚合物,實現快速液固分離,但打印得到的熱固性聚合物無法再加工,限制了該技術在一些特定場合的應用。原則上,如果將DLP技術擴展到可再加工的熱塑性聚合物,就可以克服這一限制。
        如何將DLP這種低成本快速打印技術和熱塑性材料的打印結合起來?對此,謝濤團隊另辟蹊徑,通過控制打印過程中的聚合和傳質動力學,成功實現了熱塑性聚合物超快速3D打印。


技術創新拓寬3D打印應用范圍


        首先要解決的,是DLP無法打印熱塑性材料這一缺陷。謝濤團隊選擇了低粘度的液態單體,利用材料本身粘度低、表層氧阻聚的特點實現了高速打印。以實驗中選定的單體4 -丙烯酰嗎啉(ACMO)為例,ACMO具有超低粘度,加上表面氧阻聚,使新鮮樹脂能快速鋪展在已固化的平面,從而實現高速3D打印。
        從原理、材料和工藝出發,謝濤將DLP打印的范圍從熱固性聚合物拓展到了熱塑性聚合物。
        “那么做熱塑性材料的好處在哪里呢?”謝濤說,“這里面用的高分子材料是水溶性的,我們不一定打終端產品,可以先打出一個具有水溶性的模具--打印模具非常之快。再填入其他材料,之后把它往熱水里一放,因為它具有熱塑性和水溶性,模具就沒了。這樣就可以做很多其他的材料。”
        將一些無法通過傳統DLP技術打印的材料,使用DLP打印熱塑性聚合物作為犧牲模具,實現了這些材料的DLP打印,以此實現“用最簡單的設備做最快速的打印”,正是謝濤團隊的另一創新。
        據謝濤介紹,以這種方法打印,最快能達到一小時打印73公分高的模具。與打印熱塑性材料的FDM、SLS、SLA等技術相比,這在速度上無疑有一個飛躍式的提升;而與傳統的DLP技術相比,又突破了只能打印熱固性材料的限制,實現了高速打印熱塑性聚合物,進一步擴大了3D打印的應用范圍。
        目前謝濤團隊已為這項技術申請了專利。“我們想找到合適的應用場景,實現產業化,這是下一步要做的事。”謝濤告訴記者。


大規模定制化生產的3D制造時代


        3D打印就好比是成熟的能工巧匠,能根據模型數據,完成零部件或是成品的打印制作,將高度復雜的定制產品變為現實,因此,在醫療設備、航空航天結構、能源設備和軟機器人等工程應用中顯示出巨大的應用前景。
        與傳統制造技術相比,3D打印制造具有明顯的優勢。首先,3D打印不依賴于生產標準模板,不受傳統加工設備的限制,可以按需定制。此外,3D打印獨特的生產特點能使產品以更快的速度更新迭代,增加更多復雜結構也不會帶來成本上的顯著增加,在設計和維護的環節上也更加靈活。
        而謝濤團隊對低成本高速3D打印技術作出的探索及其成果,也將對3D打印技術廣泛應用于大規模個性化定制生產起到積極的推動作用,創造3D制造的時代。

 

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