詳解100倍速3D打印技術

1停頓與重啟：SLA技術的缺陷

2015年3月20日，美國北卡羅來納大學的幾名研究人員在世界權威學術期刊《科學》雜志發(fā)表文章，闡述了一種改進的3D打印技術——CLIP技術，并被選為雜志封面。CLIP技術的速度提高到傳統(tǒng)3D打印技術的數(shù)十倍乃至100倍；還未公開的十倍速3D打印技術成為了浮云。

百倍速3D打印技術登上《科學》期刊封面

●停頓與重啟：SLA技術的缺陷
    CLIP技術，我們稱之為連續(xù)液體界面生產技術（Continuous Liquid Interface Production）。它與Formlabs Form 1+ 3D打印機的SLA技術有相似之處，都是采用紫外線照射光敏樹脂，使液體的樹脂聚合為固體，從而打印成型。那么遠遠超出SLA技術的打印速度，CLIP施展了什么神奇的魔法呢？

CLIP 3D打印技術快速的秘密何在？（動圖加快了播放，真實速度參考圖中時間） 圖源nerdist.com

    我們先對SLA技術的成型過程有一個簡單的概念。SLA 3D打印機的樹脂池底部有一個透光的窗口，通常是玻璃材質。打印平臺下降貼近窗口，中間的縫隙充滿液態(tài)的樹脂。紫外線透過玻璃照射樹脂，使很薄的一層樹脂快速聚合成為固體。

SLA 3D打印機底部紫外線照射產生固化反應 圖源kudo3d.com

    事實上聚合的速度是很快的，并且隨著紫外線強度的增加，聚合的速度還能繼續(xù)加快。不過可惜的是，過快的聚合速度并沒有什么好處，會使得固化了的樹脂粘在玻璃窗口上，將打印平臺與下面的玻璃窗口粘合，導致打印失敗。

固化過快會使已經固化的部分粘連在底部的玻璃窗口上

    SLA技術規(guī)避的辦法是，降低聚合樹脂的速度，在樹脂完全固化之前停止照射并下降樹脂池，使液體樹脂重新充滿縫隙，打印平臺上升一點，重復這個過程。

這個停頓和重啟的過程在打印中不斷重復 圖源gigaom.com

    打印中存在停頓，影響打印速度的是這個機械運動的過程，而不是樹脂材料聚合的速度。并且如果切片更細，那么分層更多，打印時間更是大大延長。

2連續(xù)打?。焊弑端俚拿孛?/strong>

●連續(xù)打?。焊弑端俚拿孛?/strong>
    連續(xù)液體界面生產技術CLIP大大加速的秘密，就在于它的打印過程是連續(xù)的，沒有停頓。這里我們要知道一個前提，不管是SLA還是CLIP的聚合過程，氧氣都是阻聚物，在紫外線照射樹脂時阻止分子產生聚合。這也是為什么打印平臺要浸入樹脂液體，在無氧的環(huán)境中打印的原因。
    而CLIP恰好利用了氧氣阻聚物的效果，來避免固化的樹脂與底部透明窗口粘連。底部的玻璃窗口被替換為可以透過氧氣和光的聚四氟乙烯材料——我們常用的不粘鍋內涂層就是聚四氟乙烯——氧氣通過窗口與樹脂底部液面接觸，形成了極薄的一層不能被紫外線固化的區(qū)域，叫做“死區(qū)”（Dead Zone）。

不粘鍋涂層常用聚四氟乙烯材料 圖源blog.sina.com.cn

CLIP 3D打印技術中 死區(qū)（Dead Zone）避免了粘連 圖源sciencemag.org

    而紫外線仍然可以透射通過死區(qū)，在上方繼續(xù)產生聚合作用。這樣一來，避免了固化的樹脂與底部窗口粘連；紫外線可以連續(xù)照射樹脂，而打印平臺也是連續(xù)上升的，大大加快了打印速度。
     需要說明的是，不粘鍋和CLIP技術的聚四氟乙烯雖然都起到避免粘連的效果，但是原理卻不同。不粘鍋依靠聚四氟乙烯的耐高溫和摩擦系數(shù)低的特點，而CLIP技術則利用了它能通過氣體分子但不能通過液體分子的特點。

傳統(tǒng)光固化技術與CLIP的差距就在于停頓和重啟的過程 而CLIP是連續(xù)打印的 圖源sciencemag.org

    那么CLIP與傳統(tǒng)的SLA、SLS等3D打印技術相比，有多大的提升呢？第三方測試機構給出了準確的數(shù)字：25倍到100倍。過去需要十幾個小時來3D打印的物體，CLIP只需要幾分鐘就可以打印出來。

3切片無關：打破速度與精度悖論

●切片無關：打破速度與精度悖論    由于是連續(xù)的照射過程，因此3D打印的速度不再受到切片層數(shù)量的影響，而是僅僅取決于紫外線照射時的聚合速度以及聚合的粘性。而切片層厚決定了打印成品的表面精度，由此打破了3D打印技術精度與速度不能同時提高的悖論。

100微米層厚的表面細節(jié) 圖源sciencemag.org

25微米層厚的表面細節(jié) 圖源sciencemag.org

1微米層厚的表面細節(jié) 接近完美 圖源sciencemag.org

    研究者通過實驗，在1微米也就是千分之一毫米的切片精度下，打印出了肉眼難以辨識的光滑表面。這讓我們感到非常振奮。目前，幾位研究員已經為CLIP技術申請了專利并獲得許可，專利號為WO 2014/126837 A2。

專利號WO 2014/126837 A2的CLIP專利已經授權 來自谷歌專利搜索

    在目前的實驗和展示中，CLIP技術原型3D打印機可以打印小至50微米、大至25厘米的物體。我們認為CLIP技術，在桌面3D打印領域的優(yōu)勢，遠遠超過目前的FDM技術和SLA技術。而在商業(yè)3D打印應用領域，CLIP技術的前景不可限量。

50微米直徑的小物體（上）、10厘米高的埃菲爾鐵塔（左）和20厘米的鞋托（右） 圖源sciencemag.org

    那么在商業(yè)3D打印領域，惠普在2014年宣布“10倍速”的3D打印技術Multi Jet Fusion研發(fā)成功。它和同樣尚未在商業(yè)中應用的CLIP技術相比，誰的速度更快呢？

●惠普3D打印技術 面臨新挑戰(zhàn)
    提到更高速的3D打印技術，我們就必須提到惠普的Multi Jet Fusion技術。惠普在2014年末宣布這項技術研發(fā)成功，并展示原型3D打印機的時候，還沒有CLIP的任何消息。
    惠普Multi Jet Fusion的顛覆之處就在于，基于惠普現(xiàn)有的熱噴墨技術，將噴頭做成孔徑細小、密度極高的陣列，噴頭的一次單程運動就可以完成一層噴射材料的覆蓋。

惠普Multi Jet Fusion 3D打印機頂視圖示意 上方的材料噴頭和右側的墨水噴頭都可以覆蓋到中央的整個工作區(qū)

    與之相近的，是Stratasys的PolyJet技術，同樣是用一組噴頭模組來噴射。只不過PolyJet的優(yōu)勢不在于速度，而是在于多種材料的混合噴射。

Stratasys PolyJet技術示意 1到8號表示8個噴頭組成了噴頭模組 圖源stratasys.com.cn

    Multi Jet Fusion的噴頭陣列就是大大提高速度的秘密。并且，“10倍速”這個數(shù)據在惠普實驗室中通過與SLS和FDM技術的測試對比，已經被驗證。那么25-100倍速的CLIP，是不是遠遠快于惠普的Multi Jet Fusion技術呢？我們看這個表格。

3D打印技術速度對比
CLIP	HP Multi Jet Fusion	PolyJet	SLS
單色	全彩	全彩	單色
連續(xù)液體	液滴	液滴	粉末
500mm/h	?	20mm/h	17mm/h

    從我們現(xiàn)有的數(shù)據，可以看到CLIP的實驗數(shù)據每小時500mm高度的成型速度，是遠遠快于PolyJet技術和SLS技術的?；萜誐ulti Jet Fusion的速度，仍然沒有數(shù)據可查。我們認為CLIP相比惠普Multi Jet Fusion還是有速度優(yōu)勢的，不過達不到10倍于惠普Multi Jet Fusion的程度。
    惠普對Multi Jet Fusion技術的定位是一個高效率、低成本的商業(yè)化技術。惠普在Multi Jet Fusion技術白皮書中闡述，這一技術實現(xiàn)了“以更低成本的3D打印系統(tǒng)，媲美價格高昂設備的打印速度和質量”的效果。
    而CLIP則是一個不論在桌面應用還是在商業(yè)應用上，都可以實現(xiàn)高效率、高精度、低成本應用的技術。SLS技術的應用成本高，主要面向航空航天、汽車制造、模具制造的領域；PolyJet成型速度較慢；所以在細分化的市場上，惠普面臨來自CLIP技術的新挑戰(zhàn)。
    我們試看頻出的新技術，會將3D打印應用的市場引向何方。