3D打印是一种增材制造技术(Additive Manufacturing, AM),而传统的制造工艺则大多数都是减材制造,也就是先有一个整块的东西,然后去掉不需要的部分从而得到需要的部件。传统的减材制造技术对于复杂工件的制造会变得十分困难,甚至完全不可能。因此,作为增材制造技术的3D打印技术,由于其可以制造复杂的工件,而且制造的时间相对较短,因此最近几年受到了广泛的关注,并得到了极大的发展。
不过3D打印技术一个很大的问题,是其对单个物件的打印速度问题。无论是通过一个平面光来进行固化的DLP技术,还是通过一个激光点来进行固化的SLA技术,要打印一个小模具都通常需要几个到甚至十几个小时。虽然这相对于传统的模具制造工具已经得到了工艺上很大的简化,但是速度仍然是很慢的。
成立于2014年6月的位于美国加州的Carbon3D公司,采用一种全新的“连续液体界面制造”(Continuous Liquid Interface Production, CLIP)工艺,极大地提高了3D打印的速度。其速度是传统3D打印工艺的数十到数百倍,打印速度可以到每小时一米或者更快。
Carbon3D公司的CEO和联合创办人Joseph DeSimone教授在TED进行了一次十分钟的演讲,也就在这个十分钟内的过程中,一个聚合物的球体从树脂池中被打印出来。而同样的球体,传统的3D打印方式需要超过10小时。
Joseph DeSimone在这次演讲中指出,传统的3D打印其实是在不断进行的一个2D打印,因此过程会非常慢。他开玩笑说“连蘑菇的生长都比一些3D打印的速度快“。CLIP技术开发的灵感,据称来源于电影“终结者2:审判日”中的T-1000型机器人从一堆金属液体中再生出来的场景。
传统的3D打印技术,无论是SLA或者DLP,都存在一个打印物件提升或下沉,然后树脂料回填的过程,因此这会导致打印速度大大变慢,并影响到打印精度
而CLIP技术则不存在一个树脂回填的过程,因为它通过一个死区(Dead Zone)来保持物料的存在,而无需进行回填。Carbon3D在2015年3月的“科学”杂志上面发文,对这一技术进行了详细的介绍。
3D打印的所采用的液体树脂几乎都是光固化的树脂体系。对于采用自由基固化的光固化树脂体系,氧阻聚是一个极其常见的问题。氧气会将光激发的光引发剂淬灭掉,或者是和光引发剂裂解产生的自由基形成过氧化物,从而中止自由基反应的继续进行,也就是中止了材料从液态向固态转换的过程。因此,在传统的光固化技术中,通常需要千方百计采用各种物理或者化学的方法来减少或者排除氧阻聚。而Carbon3D公司开发的这个CLIP技术,非常巧妙地利用了氧阻聚来达到快速打印的效果。
CLIP树脂池的底部是一个无定形含氟高分子(Teflon AF 2400)的膜,这个膜对于氧气有很好的穿透性,同时对紫外线(UV)透明,并具有化学惰性。紫外线从这个膜进入树脂池来对树脂进行固化成型,氧气也通过这个膜进入树脂池中形成了一个氧阻聚的死区。这个死区通常为20-30微米厚,在这个死区里面,即使在紫外线的照射下因为氧阻聚的存在树脂也不会固化。在这个死区内,随着离薄膜的距离越远,氧气被消耗得越多。当氧气被完全消耗,但还有自由基存在的时候,树脂的固化就会发生,从而成型。
这个死区的厚度同膜的透氧能力、氧气浓度、树脂反应度、染料吸光度、紫外光强度等因素都有关系,这些因素同时也会影响到打印的精度。作者列出了一系列的数学公式用来对相关的打印参数进行计算。对于CLIP技术来说,树脂的优化和选择变得非常重要。
在这篇文章中,作者展示了通过CLIP技术打印的直径50微米的桨状物,10厘米高的埃菲尔铁塔,以及长度超过20厘米的鞋板。
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Kirk Phelps 想要对物品生产流程做些颠覆。他拿着一个塑料软盘,一个通用汽车发动机密封垫片,解释着这个垫圈如何限制住了人们的创造力。
“如果你想制造一台发动机,你已经没有必要从头开始做起。你去找垫圈供应商,询问你发动机周围什么样的垫圈是可用的,然后你自行设计。但是这已经太过落后。”第一个协助iPhone研发多点触控的33岁设计师Phelps说道。
后来他开始做Carbon3D产品研发主管的工作,据称,这是新兴的3D打印行业中最热门的初创公司之一。3D打印的预期是让工程师们尽情发挥他们的想象,在任何一个三维文件的基础上打印出一个实体。
纵观目前3D市场,一些顶级机器只可以精确打印一些微小的工具,比如助听器和人工关节。而且,目前多数3D打印玩家打印小玩意的速度很慢。3D打印的火爆在几年前就已经达到顶峰,以Stratasys 和3D Systems两个厂商最为出名。
就算是红海,Carbon3D也想要杀进。它的CEOJoseph DeSimone,是一个51岁的企业家也是化学教授。他离开了北卡罗来纳大学后,提出了更快速、更精准的3D打印的新模式。为此,他获得了红杉资本合伙人Jim Goetz的1100万美金的天使轮融资。
目前公司总共获得融资1亿四千万美金,其中谷歌在今年八月投了1亿美金。虽然还未向市场投放任何产品,它的估值已经有10亿美金。“3D打印工业主要是由一层一层地打印二维对象的机械工程师完成的。”DeSimone 说。“但是我们不要一层一层地来,我们让他们直接‘拉’出来。”
大多数3d打印机都是使用一个称为熔融沉积成型的技术,一个机器人手臂控制的热胶枪控制来回运动使塑料固体沉淀的项目。而Carbon3D机是提取出液体塑料的小试管中的固体,就像终结者2中杀手机器人的方式使自己摆脱了液态金属水坑。这是一个有着几十年历史的老技术,叫做光固化快速成型,或者光固化快速塑料的使用。
DeSimone的贡献在于,作为一个化学家他把试管的底部换成了玻璃窗格,像一个多孔的隐形眼镜。 Carbon3D 的 CLIP 技术可通过可调节的光化学处理,让促进聚合的紫外光和抑制聚合的氧气在充满树脂的池子里得到一个平衡,装置从池子里一直往上拉,最终 “拉” 出了一个复杂的 3D 实物。
据称,Carbon3D的打印速率是传统打印的25到100倍。因为这个机器的运动很流畅,可以用于产品的批量生产,比如有弹性的高温状态下的树脂。Carbon3D希望他们自制的树脂用来创造更多商业价值,“我们很关注3D打印的商业用途,比如可以在汽车里运用。现在的3D打印机做不到。”
据了解,目前像福特汽车、好莱坞特效工作室在内的大型公司,都对Carbon3D进行了测验。
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