高速大尺寸光固化3D打印技术登上《Science》，HARP会超越Carbon3D吗？

南极熊导读：又是一篇发表在《Science》杂志上的革命性3D打印技术，高速、大尺寸、高产能！美国西北大学的HARP (high-area rapid printing）技术；并且，科学家们也创办了一个公司“Azul 3D”。这和现在的全球估值最高的3D打印厂商之一Carbon3D走过的路子一模一样，也是技术产业化的最佳案例之一，值得我们中国好好学习。

△《Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface》，David A. Walker, James L. Hedrick, Chad A. Mirkin  Science  18 Oct 2019: Vol. 366, Issue 6463, pp. 360-364  DOI: 10.1126/science.aax1562

高速大尺寸3D打印机是制造的未来

按需快速制造可能会革掉库存、模具的命

• 全新的3D打印机预计在1年半后进行商业化应用
• 可以安全地3D打印出高硬度、耐用的零件，以及高弹性体
• 创新的液面可循环液体，可以消除热量，突破当前光固化3D打印技术的限制
• 可用于打印医疗设备、汽车、飞机、建筑等领域的应用零件
  

2019年10月17日，美国西北大学的研究人员宣布开发出一种大尺寸的高速3D打印机，可以在短短几个小时内打印出一个成年人大小的物体。

这项新技术被称为HARP (high-area rapid printing高速大尺寸3D打印），可实现创纪录的生产效率，并且是个性化生产。在过去的30年中，3D打印领域的大多数努力都旨在突破传统技术的极限。通常是追求更大零件，但是会降低速度、产量和分辨率。有了HARP技术，就不需要考虑这些问题，不但可以实现高分辨率，还可以实现高产能，对传统的3D打印技术产生强大的竞争优势。

南极熊了解到，目前HARP技术的样机，打印床尺寸为2.5平方英尺（0.2平方米）、Z轴高度为13英尺（约4米），可以在一个小时内打印半米高的零件，这种产能效率创了全球纪录。这意味着它可以一次打印单个大型零件或一批不同的小型零件。
领导HARP产品开发的Chad A. Mirkin说：“ 3D打印在概念上很强大，但实际上有很多限制。 如果我们能够在不受材料和尺寸限制的情况下快速打印，我们将彻底改变制造方式。 HARP未来会做到这一点。”


△在三种不同的打印条件下，一个新的3D打印部件（硬质聚氨酯丙烯酸酯树脂；横截面为5 cm×5 cm；垂直打印速度为120μm/ s；光学分辨率为100μm）的红外热图像。（A）固定式打印界面。 （B）移动界面。 （C）具有主动冷却功能的移动界面。 面板之间经过的时间（从左到右）为〜500 s； 比例尺，25毫米。 数据和热色映射对应于影片S1至S3。

Mirkin预测，HARP将在未来18个月内进行商业化应用。

这项技术已经以论文的形式，发表在2019年10月18日的《科学》杂志上。西北大学温伯格文理学院的 George B. Rathmann 化学教授、国际纳米技术研究所主任 Chad A. Mirkin，与 David Walker 及 James Hedrick 共同完成了这项研究，后两人均为 Mirkin 实验室的研究人员。

冷却技术
HARP使用一种新的、正在申请专利的光固化3D打印技术。HARP采用垂直打印，用紫外线将液态树脂固化为硬化的塑料。此过程可以打印出坚硬、有弹性甚至陶瓷。与其他3D打印技术常见的叠层结构相反，这些连续打印的零件机械性能很好，可以用作汽车、飞机、牙科、矫形器、时尚等等的零件。
△支持不同的材料种类：A.硬质可加工聚氨酯丙烯酸酯零件（打印速率为 120 μm/s，光学分辨率为 100 μm）；B.后处理的碳化硅陶瓷印刷晶格（打印速率为 120 μm/s，光学分辨率为 100 μm）；C&D.松弛状态和张力下的印刷丁二烯橡胶结构（打印速率为 30μm/s，光学分辨率为 100 μm）；E.聚丁二烯橡胶在压缩后恢复为膨胀的晶格（打印速率为 30 μm/s，光学分辨率为 100 μm）；F.在不到 3 小时的时间内打印出约 1.2 米的硬质聚氨酯丙烯酸酯晶格（垂直打印速度为 120 μm/s，光学分辨率为 250 μm）；比例尺为 1 cm（来源：Science）

当前光固化3D打印技术速度提升的主要限制因素是热量。每台光固化3D打印机在高速运行时都会产生大量热量，甚至有时会超过180摄氏度。这不仅会导致危险的高温表面温度，还会导致打印零件的破裂和变形。速度越快，打印机产生的热量就越大。而且，如果又大又快，发热量会非常高。这个问题，大多数3D打印公司无法解决。 Walker说：“当这些打印机高速运行时，树脂的聚合会产生大量的热量。他们无法消除这些热量。”
  
△可连续打印的移动界面描述：A.HARP 的 3D 打印技术方案；B.在不同流速下打印部件的速度分布，表明存在滑移边界；C.有代表性的打印零部件滑移边界流动剖面插图（来源：Science）

“液态铁氟龙”
西北大学的团队通过类似于液体特氟龙不粘液体的行为来绕过了这个问题。 HARP通过窗口投射光线固化垂直移动的成型台板上的树脂。液体聚四氟乙烯在接口上流动得以除去热量，然后通过冷却单元进行循环。

“我们的技术像其他技术一样会产生热量，”Mirkin说。 “但是我们有一个可以散热的接口。”

南极熊注意到，HARP的液态树脂界面也不粘，可以防止树脂粘附到打印机本身。这样打印过程中，Z轴方向就不必做上下往返运动来去除粘力，从而实现连续液面打印（和Carbon3D打印的技术原理一样），速度提高了一百倍。
变大纳米技术
Mirkin是世界著名的纳米技术专家，于1999年发明了世界上最小的打印机。这种技术被称为蘸笔式纳米光刻技术，它使用一支微型笔画出纳米级的图案。然后，他将其转换为一个阵列的细笔，这些细笔中射出光线，从而固化树脂材料。 HARP中使用的特殊不粘界面，起源于该技术开发为纳米级3D打印机的过程。

“从体积的角度来看，我们已经把纳米应用变大了18个数量级。”Mirkin说。

这项名为“使用移动液体界面进行快速、大容量、热控制的3D打印”（“Rapid, large-volume, thermally-controlled 3D printing using a mobile liquid interface）的研究，得到了美国能源部空军科学研究所（授予编号FA9550-16-1-0150）（奖项编号为DE-SC0000989）和谢尔曼飞兆半导体基金会的支持。

成立公司Azul 3D
目前，科学家们已经根据这个技术成立了一个公司，叫Azul 3D, Inc。西北大学也持有该公司的股权。

△由 HARP 技术打印出的公司 Logo Azul 3D

Mirkin 说：“当我们可以快速且大尺寸地3D打印时，这项技术就可以着实去改变人们对制造的看法。借助 HARP，人们可以在没有模具、不需要零件仓库的情况下，根据需求去生产任何东西。”

Azul3D PK Carbon3D

Azul3D 有自己的HARP技术，Carbon3D有自己的CLIP技术，前者声称已经突破了3D打印速度的最高纪录，也就是说超越了Carbon3D。南极熊认为，Carbon3D等3D打印厂商未必会答应。CLIP技术：这项技术的核心是“利用一层透氧膜，隔离光敏树脂液体和空气中的氧气，实现高速、连续的3D打印成型”

截止2019年10月，Carbon3D已经推出了最新一代的高速量产3D打印机L1，目标就是大批量生产应用的。
△Carbon的 CEO Joe DeSimone，拿着3D打印的头盔，背后就是高速量产3D打印机L1。与Carbon3d打印尺寸为7.4英寸x 4.6英寸x 12.8英寸（189毫米x 118毫米x 326毫米）的M2机型相比，L1的打印尺寸扩大了5倍。并且Carbon预计2019年会安装1000台3D打印机用于生产。据南极熊了解，Carbon的机器不会直接销售，而是以租赁的方式来提供，设备+软件+云服务，M2机型的年费为5万美元，每年还需购买2万美元的材料，一共至少是7万美元每年。L1的租赁合作价格，无疑会更高。如果Carbon在2019年之前已经安装了1000台机器，2019年新装了1000台，那么一共就可以有2000台。如果按照7万元/台的商业运营价格，年收入可达1.4亿美元了。
2019年6月，南极熊报道了3D打印领域的独角兽公司Carbon获得了E轮的投资，融资规模高达2.6亿美元（约18亿元人民币），而估值则达到了24亿美元（165亿元人民币），已经成为全球最具价值的3D打印公司之一。

中国的高速3D打印厂商

另外，中国也有几家做高速光固化3D打印的厂商，例如北京Revo塑成科技、北京清锋时代LuxCreo、北京金达雷UNIZ等，其打印速度同样非常快。

Revo塑成科技

2019年10月15日，在深圳TCT展会上，Revo塑成科技（北京）有限责任公司发布了国内首款商业化工业级高速光固化3D打印机Type E+。


△Type E+，实测最快3D打印速度是传统3D打印设备的50-100倍，Z轴成型速度达到 300mm/h （具体数值因材料或测试环境等因素结果不同）。

Type E+ 依靠 Revo 数字光子制造技术（Digital Photonic Manufacturing, DPM），加之在材料中运用热激活可编程化学，攻克了传统 3D 打印制品良莠不齐、易碎易坏等缺陷。使用 Type E+ 智造的成品可与传统注塑模具制品媲美，具有极佳的机械性能，及光洁的表面。DPM是使得3D 打印批量成为现实的关键。

清锋时代LuxCreo

2019年8月，中国高速3D打印机厂商、3D打印规模化服务商LuxCreo清锋时代公布已完成B轮融资3000万美金。

△量产型工业极速3D打印机TriX系列，打印最大尺寸为190 mm x 120 mm x 420 mm

清锋时代开发了量产型工业极速3D打印机TriX系列。它使用极速3D打印“LEAP™”技术，突破传统制造模式，实现新型数字化的大规模定制。相较传统3D打印技术而言，不需要层层叠加构成三维物件，是通过一种“生长”的方式快速成型。这一技术基于Bottom-up DLP，通过改性界面实现连续液面高效成型，最高打印速度可达到1200mm/h，且能适用多种不同材料，真正可以实现批量化定制生产。据南极熊了解，清锋时代的机器，未来也将会采用租赁模式对客户进行提供。



参考：


“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

美国西北大学网站
https://news.northwestern.edu/st ... manufacturing/&fj=1

美国Carbon的CLIP高速3D打印技术专利https://www.nanjixiong.com/thread-119241-1-1.html