西交大副教授王莉：微喷多材料3D打印

2019年9月19-21日，IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛将在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技创新的开放合作共享交流平台，汇聚全球顶尖的增材制造（3D打印）领域成果及人才，促进行业各环节、产业链的衔接融合，在“增材制造工艺与装备论坛”上，西安交通大学副教授王莉做了主题是《微喷多材料3D打印》的报告。

微喷多材料3D打印

下面南极熊根据现场速记整理的内容：

微喷多材料3D打印是3D打印里面相对比较热门的，在昨天的高端论坛上，黄教授就已经提到了很推崇的惠普的技术，就是基于微喷打印的技术，惠普推出了尼龙粉末的喷射粘接热溶的技术，利用这种技术做针对尼龙领域的注塑行业做一些工作，推出来以后很受工业界的认可和关注。惠普推出了关于基于微喷3D打印金属粘接的技术，应用领域也是一些小的金属零件和金属模具行业，相对于前面一些专家和教授介绍的3D打印技术，这种技术有很强大的优势，在于它的速度，它的速度因为是基于微喷头去做的，所以速度可以做的很高，其他的技术好多是以点的形式，点到线到面的形式在做，这是从面的形式来讲，或者以线到面的形式，以这种角度去做每一层的成形，所以提升速度很大。

我们在微喷3D打印方面做的工作，因为我们和增材院紧密结合做了很多工作，也就是我们的国创中心，关于国创中心对我们的支持。关于微喷3D打印技术，从我们的理解来讲，喷射的材料直接成形，它就是成形的主体材料，这一类的有高分子材料、无机材料，比如陶瓷颗粒、金属颗粒等，还有混合材料，本身混合不是在没有打之前混合，而是打印过程中混在一块儿，我根据功能的要求不同可能出来的器件也是不一样的。从高分子的角度来讲，这一点大家都比较熟悉，如果大家对3D打印行业的技术生态来说，大家知道他们做的是树脂材料的直接成形，无机材料这一块儿，喷射出来的材料是成形的主体，这方面大家以前听说过，也是这两三年内，有一家很火热的公司，是直接喷射金属成形。

△喷射粘结3D打印技术原理图

曾经有人以为基于喷射打印的成形，是不是其他的粉末用什么样的方式粘一块儿或者熔一块儿，成形金属的时候，有某些阶段可能会有粉末之间的融合，但是这个粉末并不是像SLM，这个粉末没有粉床的概念，本身这个粉末就是喷出来的，所以我们也认为是一种材料的直接成形。喷射类打印它的效率高，除了作为成形的最基本的单元，微喷头是有成千上万的孔在工作，比起单点激光成形，只是一个点来讲已经上万倍的工作效率，同时喷射直接成形以后，整体的性能方面后处理以后也是很有保证的。有很多同学和现场的专家了解过，属于喷射粘接类的，包括一开始提到的惠普，主要喷射粘接，当然这个喷射粘接对于不同的厂家或者不同的研究机构，它的细微工艺链上的工艺过程还是不同的，比如惠普的熔化剂和细化剂，其他的也有做粉末粘接的，比如塑料粉末粘接，并没有用到这种所谓的细化方式。所以惠普的射流熔融3D打印技术，有独特的表现，最主要的是希望能直接取代我的注塑件，就是做尼龙粉这一块儿。惠普也宣传有金属粉末的粘接工艺，但到目前为止还没有正式推出他们的正式产品。昨天和惠普中国区的代表聊天，应该是明年能推出来。

△惠普MJF技术过程示意图

作为粘接形式，粘的不只是塑料粉末、尼龙粉末，还有砂、陶瓷、石膏粉末，石膏粉末有一个典型的公司代表，也是3D打印行业的先驱公司。至于砂的粘接工艺，离工业生产特别近的一个工艺手段，作为砂的粘接，在国际上有一家上市公司，都是已经在中国大陆开始推广他们的业务，而且有很多服务客户的砂型粘接的公司。我们国家宁夏共享在这方面工作做的很好，他们已经基于砂型3D打印的设备，也算是引进消化吸收，做出了这种设备，已经建立了智能铸造工厂。在这一块儿他们也建立了多个智能铸造工厂的中心，往外推广他们的技术。据我了解，整体服务方面还是受到了大家的认可，他们的订单很多。至于陶瓷和金属这种直接喷射粘接形式的3D打印，最初是起源于美国MRT的技术，80年代已经申请了专利，但是真正爆发点也是在最近这几年，也是美国他们进行一些资本运作方面，确实有这种技术的积累，在资本市场融了4.8亿美金。

△宁夏共享智能铸造工厂

关于喷射粘接在某种意义上讲，喷射的材料我们不认为是多材料，可能相对是单一的材料。从多材料的角度来讲，前面所介绍的直接成形的工艺，真正喷射出来的材料本质不同来体现。增材制造相当于本身是一个连续复杂的造型，经过处理以后，成形设备以后，很多不同的应用领域曾经可能都考虑过。其他的工艺受制于工艺基本原理的限制制约，这种实现手段上可能很有局限性，大家所做的工作更多的还是单一材料成形。也有一些尝试去做多材料，我们也看到有一些报道，但是他做的就不是连续分布的多材料，它的分布比如有一块儿这种材料，一块儿那种材料，作为连续渐变材料，很多工艺是没有办法提供连续渐变的手段。但是对于微滴喷射来讲，光固化是其中一种，它所成形的材料可以做调配，在量度尺度上去看，不管是什么材质的液滴，我们做所谓的数字化制造的时候，可以划分的单元是很小很小的，在这方面因为可以划分成很小的单元，而且单元之间可以去做点阵化、数字化的材质造型的处理，所以我在混材料的时候，可以在一层里面混很多材料，而且做一些量的调控，这方面相对精确的多。

对于我们来讲，多材料成形的时候，工艺链短，一台机器实现成形质量高、效益高，而且分布出来的材料特性也是不一样的。真正用到多材料的时候，目前来讲它可能更多的是探索阶段的多材料，比如梯度材料，或者是前沿交叉领域的探索应用。比如我们2015年做的梯度材料，这个梯度还不是连续渐变的梯度，已经做到很好的功能，像他们设计的软体机器人，当时是哈佛大学的老师做的研究，这个软体机器人在落地的时候，如果你是刚性材料或者是柔性没有那么好的材料，在它关节处或者着力点，或者应力集中的地方，很容易出现问题。但是因为我们用到多材料体系或者功能梯度材料体系，用喷射打印的方式实现软体机器人，首先是基于设计，在设计过程中已经做了多材料的设计，它在落地的时候，保证了这种关节处或者关键部位使用的受益，提升了使用的性能，本来可能刚性很强，落下去再反弹，因为冲击的原因没有那么高，被地面吸收或者怎么样，但是因为我们做柔性反弹方面也会做的比较好，同时对它的关节处也有很大的保护作用。

做4D打印的时候，完全不同材质性能的调控，通过打印可以实现自驱动。比如2016年我们做的实现一个热驱动功能，本身是松开的软体抓手，根据热驱动可以把下面放一个螺钉，热驱动直接把它抓取起来，这些工作是完全可以多材料体系来实现的。当然还有一些工学器械，我们都知道做为透镜，有个折射率的问题，但是如果我们构造一个不同的多层折射率的透镜，可能改变光度方面，就出现了意想不到的效果。当然现在说到的三种都是很前沿的，以及我们比较接地气的生物医学上用的人体模型。

微喷打印系统如果以彩色来看，市面上大概上有三种到四种，国内有一家，国际上两家，美国的、日本的，这能够实现多通道材料一次性混合打印，其他家的可能不能实现所谓的连续界面。如果做功能梯度材料，我先设计然后去实现功能，这个模型是通过设计有一个函数，相当于是可解析的一个材料，实现不同分布，根据模型实现我的切片以后，用我们这种微喷方式实现打印不同部位，比如多材料他们的性能是完全不一样的。

4D打印我们自己也在做一些工作，我们做了一些比对，同时成形最初的原样是这样的，因为数字调配的功能，给它一定加热的时候，可以看到它的弯曲程度是不一样的。还有对光响应的材料就不说了。我们在西安已经有人在做喷墨的视网膜神经细胞打印，里面可以有细胞，当然也可以有一些供细胞生长的基液。

增材院开发的系统，多材料微喷3D打印系统，我们也试过喷陶瓷墨水等，对于不同的体系来说，要求的喷打条件不太一样，我们已经形成产品的是我们这一款ZC-C01，整个喷打体系是我们自己开发的，目前可以从数据处理到建模到打印工艺规划到打印模型输出等，都有解决方案。这是我们最基本的配置，作为我们这一款设备，大家用过3D打印都知道切片的问题，可能相对来讲有现成的切片去用，而对于我们来讲，对应的打印单元是不一样的，所以我们切片做的是同时导入多个不同数据格式的切片，可以基于不同材质空间或者不同功能材料进行切片渲染，导出格式是多样化的。这是我们做的心脏模型的动态切片展示，这是我们打印工艺过程大概的工艺原理展示，特点在于数据处理的时候有一个体塑化的过程。这个脚模型是基于我们自己的设备开发出来打印的医学模型。对应的色彩有色域的展示，对于数字化调控会有一个多材质梯度场信息的展示。

我们做这个事情之前，在国家增材制造创新中心的平台上，做了一个国家重点研发计划的项目，为什么我们会做这一系列的事情？前期不管是装备、工艺实现还是元器件上都有一些探索，喷头方面我们已经有三款在研的产品，已经可以实现打印过程了。这是我们用喷射打印所打出来的一些材料和装备实现的模型。我们有一个打印头的中试线，希望形成以微喷打印技术为服务的服务平台，同时在这方面形成系列的产品，不管是喷头还是以喷头为主去搭建的设备，也希望能和大家一块儿共同合作，看看以后大家感兴趣可以联系我合作做相关的事情。目前有一些基本的服务内容或者可提供的服务，比如切片，比如打印系统，比如打印头方面的测试，有相关的问题可以沟通探讨。打印材料我们也可以做测评，对于大家做其他的打印你们应该有所体会，比如这个材料好不好挤出，和温度和流动性都有很大的关系。我们这一块儿作为喷射出来的，这方面的要求更高。匹配性测试是很重要的事情，当然我们希望在后面给大家能提供一些解决方案，或者大家找到我们做共同应用方案的开发或者技术开发的委托开发。